EP2778531A1 - Gasturbine mit optimierter Verbrennung im Teillastbetrieb durch Luftmengenregelung - Google Patents

Gasturbine mit optimierter Verbrennung im Teillastbetrieb durch Luftmengenregelung Download PDF

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EP2778531A1
EP2778531A1 EP13159017.6A EP13159017A EP2778531A1 EP 2778531 A1 EP2778531 A1 EP 2778531A1 EP 13159017 A EP13159017 A EP 13159017A EP 2778531 A1 EP2778531 A1 EP 2778531A1
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EP
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combustion chamber
gas turbine
air
section
connection space
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Withdrawn
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EP13159017.6A
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English (en)
French (fr)
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Marco Link
Marc Tertilt
Martin Wilke
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/02—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the air-flow or gas-flow configuration
    • F23R3/26—Controlling the air flow
    • 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
    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • F23R3/50—Combustion chambers comprising an annular flame tube within an annular casing

Definitions

  • the object of the invention is to remedy this.
  • a gas turbine is presented with a compressor for supplying a combustion chamber with compressed air, at least partially adjoining the combustion chamber terminal space, wherein from the connection space in the combustion chamber, air passages are formed, which serve for cooling.
  • a compressor for supplying a combustion chamber with compressed air, at least partially adjoining the combustion chamber terminal space, wherein from the connection space in the combustion chamber, air passages are formed, which serve for cooling.
  • Such a construction is common in gas turbines.
  • a higher pressure prevails in the terminal compartment than in the combustion chamber. Due to the pressure difference flows through the air passages air.
  • a cooling of the combustion chamber wall ie the wall between the connection space and the combustion chamber is achieved. This is due to both the lower temperature of the air and the fact that the flow causes flames in the combustion chamber to be kept away from the combustion chamber wall.
  • a device is provided with which the flow cross section for air flowing from the compressor into the connection space can be changed.
  • the change in the flow cross-section leads to a change in the flow resistance and thus the pressure in the connection space.
  • the changed pressure in the connection space leads to a changed flow of cooling air through the air outlets into the combustion chamber.
  • the device increases the flow cross-section for the air flowing from the compressor into the connection space, the flow resistance decreases.
  • the air gets easier in the terminal compartment, where the pressure increases.
  • more cooling air flows through the air passages in the combustion chamber.
  • less air coming from the compressor is available, which flows directly into a combustion region of the combustion chamber.
  • this is desirable since otherwise the combustion temperature would drop due to a reduced fuel supply.
  • a decreasing combustion temperature would lead to increased CO emissions.
  • a decrease in the so-called primary zone temperature below 1400 ° C leads to increased CO emissions.
  • the invention thus allows an extended power range at the expense of a low efficiency loss.
  • the electricity market also demands flexible power plants due to the increasing use of renewable energies.
  • the invention is equally useful in a sole operation of the gas turbine as in combined operation, in which from the waste heat of the gas turbine steam is still provided for a steam turbine.
  • connection space between the combustion chamber and an outer housing of the gas turbine wherein the terminal space is limited in particular by a combustion chamber outer shell. This corresponds to a proven construction of a gas turbine.
  • the combustion chamber is an annular combustion chamber. This can be achieved particularly well that the combustion chamber wall is cooled by the cooling air, while in the combustion zone prevails a desired high temperature.
  • the device with which the flow cross-section can be influenced can be an orifice and / or a flap and / or an arrangement of several orifices and / or flaps.
  • a flap or aperture is easy to implement and allows easy and safe influencing of the flow cross-section.
  • a slider an array of perforated plates in which the holes are aligned for a high flow area and are not aligned for a low flow area, and various known or easily developed further components and arrangements are conceivable.
  • such an air path exists from the compressor into the connection space that sufficient air can flow into the connection space when adjusting the device that supplies the minimum flow cross section, so that during operation a sufficient air flow for cooling can be set from the connection space into the combustion chamber ,
  • This can work with closed panels or flaps, for example, without jeopardizing the necessary cooling.
  • the cooling requirements of here featured gas turbine corresponds to the cooling demand of a conventional gas turbine in the art.
  • the air passages are formed so that when setting the device that provides minimum flow cross section, enough air for cooling from the terminal compartment can flow into the combustion chamber. For example, it is possible to provide more air outlets or larger air outlets than is usual in the prior art. Thus, even with a setting of the device that provides minimal flow cross-section, that is about closed flaps, enough cooling air available, even if it is difficult because of closed flaps of air into the connection space.
  • the device can be used to set the flow cross section as a function of a fuel flow supplied to the combustion chamber and / or of a power of the gas turbine and / or of a CO value.
  • the CO value can be detected in the exhaust gas flowing out of the combustion chamber. Since it is about avoiding a too high CO value, the approach is certainly to capture the CO value and increase the flow cross-section with increased CO value, a sensible way.
  • other approaches make sense, such as a control of the device as a function of the amount of fuel supplied or the power of the gas turbine.
  • One approach is also the change in the flow cross-section as a function of the combustion temperature. Of course, this presupposes the not always easy detection of this temperature.
  • control unit which is designed to control the device accordingly. It should be emphasized that the control unit can be designed for the approaches described above, but also for a variety of other approaches that are conceivable within the scope of the present invention.
  • the device is arranged in the region in which the cross section between the outer housing and the combustion chamber is minimal. This can be well influenced with relatively little effort, the flow cross-section.
  • the invention also relates to a method for operating a gas turbine with a compressor and a combustion chamber, wherein the flow cross-section is set for by the compressor in a space provided for cooling the combustion chamber and so the amount of cooling air is changed.
  • FIG. 1 a gas turbine burner 1 can be seen on the top left.
  • the main stream of compressed air is passed through the burner 1 in an annular combustion chamber 2 to burn a fuel there.
  • a portion of the compressed air can flow through the surrounding space 3 into a connection space 4. It can be seen that at the in FIG. 1 shown position of a flap 5 only a restricted flow cross-section is available. Therefore, the flow resistance is comparatively high, so that only a comparatively limited pressure is established in the connection space 4.
  • connection space 4 is sufficient to allow sufficient cooling air to flow through a combustion chamber wall 6, which surrounds the annular combustion chamber 2 and delimits the combustion chamber to the connection space 4 as the combustion chamber outer shell. More specifically, the cooling air flows through the schematically shown air passages 7 in the FIG. 1 are two Air diffusers shown schematically. In fact, a plurality of such air outlets 7 is present.
  • FIG. 2 corresponds to FIG. 1 ,
  • This is a much larger flow cross-section for the flow from the ambient space 3 in the connection space 4 available. Thanks to the lower flow resistance, a higher pressure builds up in the connection space 4. Accordingly, more cooling air flows into the annular combustion chamber 2 through the air passages 7. As a result, less air flows directly into the annular combustion chamber 2 through the burners 1. As described, this increases the fuel-air ratio during combustion. In partial load operation, in which the fuel supply is limited, thus a reduction of the combustion temperature and concomitantly an increase in CO emissions can be avoided.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasturbine mit einem Verdichter zur Versorgung einer Brennkammer (2) mit verdichteter Luft, einem an die Brennkammer zumindest teilweise anschließenden Anschlussraum (4), wobei vom Anschlussraum (4) in die Brennkammer (2) Luftdurchlässe (7) ausgebildet sind, die zur Kühlung dienen, und mit einer Einrichtung (5), mit welcher der Strömungsquerschnitt für vom Verdichter in den Anschlussraum (4) strömende Luft verändert werden kann. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein zugehöriges Verfahren.

Description

  • Im Teillastbetrieb von Gasturbinen fällt die Verbrennungstemperatur häufig ab. Dies kann zu erhöhten CO-Emissionen führen. Umweltschutzgesichtspunkte und damit einhergehende gesetzliche Regeln veranlassen oder zwingen gar dazu, den Teillastbetrieb wegen der CO-Emissionen zu vermeiden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es Abhilfe zu schaffen.
  • Hierzu wird eine Gasturbine vorgestellt mit einem Verdichter zur Versorgung einer Brennkammer mit verdichteter Luft, einem an die Brennkammer zumindest teilweise anschließenden Anschlussraum, wobei vom Anschlussraum in die Brennkammer Luftdurchlässe ausgebildet sind, die zur Kühlung dienen. Ein derartiger Aufbau ist bei Gasturbinen üblich. Im Betrieb stellt sich im Anschlussraum ein höherer Druck als in der Brennkammer ein. Aufgrund der Druckdifferenz fließt durch die Luftdurchlässe Luft. Damit wird eine Kühlung der Brennkammerwand, also der Wand zwischen dem Anschlussraum und der Brennkammer erreicht. Dies sowohl durch die niedrigere Temperatur der Luft als auch durch den Umstand, dass die Strömung dafür sorgt, dass Flammen in der Brennkammer von der Brennkammerwand ferngehalten werden.
  • Ferner ist eine Einrichtung vorhanden, mit welcher der Strömungsquerschnitt für vom Verdichter in den Anschlussraum strömende Luft verändert werden kann. Die Veränderung des Strömungsquerschnitts führt zu einer Veränderung des Strömungswiderstands und damit des Drucks im Anschlussraum. Der veränderte Druck im Anschlussraum führt zu einer veränderten Strömung von Kühlluft durch die Luftdurchlässe in die Brennkammer.
  • Wird also durch die Einrichtung der Strömungsquerschnitt für die vom Verdichter in den Anschlussraum strömende Luft erhöht, sinkt der Strömungswiderstand. Die Luft gelangt leichter in den Anschlussraum, in dem sich der Druck erhöht. Somit strömt mehr Kühlluft durch die Luftdurchlässe in die Brennkammer. Damit steht weniger vom Verdichter kommende Luft zur Verfügung, die unmittelbar in einen Verbrennungsbereich der Brennkammer strömt. Im oben erwähnten Teillastbetrieb ist dies erwünscht, da in diesem durch eine reduzierte Brennstoffzufuhr anderenfalls die Verbrennungstemperatur abfallen würde. Eine abfallende Verbrennungstemperatur würde zu erhöhten CO-Emissionen führen. Hier ist insbesondere zu beachten, dass ein Sinken der sogenannten Primärzonentemperatur unter 1400°C zu erhöhten CO-Emissionen führt.
  • Es ist also festzustellen, dass durch eine Erhöhung des Strömungsquerschnitts vom Verdichter in den Anschlussraum, also durch eine Erhöhung der Kühlluftmenge in der Brennkammer ein Abfallen der Verbrennungstemperatur und damit ein unerwünschter Anstieg der CO-Emissionen unterbunden wird. Eine Erklärung für diesen zunächst überraschenden Zusammenhang ist, dass die Kühlluft vor allem die Brennkammerwand, nicht aber die Flamme selbst, kühlt. Günstig ist hierbei, dass der Energieverlust gering ausfällt. Auf dem Pfad vom Verdichter über den Anschlussraum und durch die Luftdurchlässe in die Brennkammer fallen etwas höhere Strömungsverluste an als im direkten Pfad vom Verdichter in den Verbrennungsbereich der Brennkammer. Im Übrigen steht die Kühlluft ebenso für die Expansion in der Turbine zur Verfügung, die vom Verdichter geleistete Arbeit geht also nicht verloren.
  • Die Erfindung gestattet damit unter Inkaufnahme eines geringen Wirkungsgradverlusts einen erweiterten Leistungsbereich. Der Strommarkt verlangt auch aufgrund des zunehmenden Einsatzes erneuerbarer Energien flexibel einsetzbare Kraftwerke. Die Erfindung ist gleichermaßen nützlich in einem alleinigen Betrieb der Gasturbine wie im kombinierten Betrieb, in dem aus der Abwärme der Gasturbine noch Dampf für eine Dampfturbine bereitgestellt wird.
  • In einer Ausführungsform liegt der Anschlussraum zwischen der Brennkammer und einem Außengehäuse der Gasturbine, wobei der Anschlussraum insbesondere von einer Brennkammeraußenschale begrenzt ist. Dies entspricht einem bewährten Aufbau einer Gasturbine.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die Brennkammer eine Ringbrennkammer. Damit kann besonders gut erreicht werden, dass die Brennkammerwand durch die Kühlluft gekühlt wird, während in der Verbrennungszone eine erwünschte hohe Temperatur vorherrscht.
  • Die Einrichtung, mit welcher der Strömungsquerschnitt beeinflusst werden kann, kann eine Blende und/oder eine Klappe und/oder eine Anordnung mehrerer Blenden und/oder Klappen sein. Eine Klappe oder eine Blende ist einfach zu realisieren und gestattet eine einfache und sichere Beeinflussung des Strömungsquerschnitts.
  • Freilich steht auch eine Vielzahl anderer Mittel zur Verfügung. Etwa ein Schieber, eine Anordnung von Lochblechen, bei der die Löcher für einen hohen Strömungsquerschnitt fluchten und für einen niedrigen Strömungsquerschnitt nicht fluchten, und verschiedene bekannte oder leicht zu entwickelnde weitere Bauteile und Anordnungen sind denkbar.
  • In einer Ausführungsform existiert vom Verdichter in den Anschlussraum ein derartiger Luftpfad, dass bei einer Einstellung der Einrichtung, die minimalen Strömungsquerschnitt liefert, genügend Luft in den Anschlussraum strömen kann, so dass im Betrieb ein zur Kühlung hinreichender Luftstrom vom Anschlussraum in die Brennkammer sich einstellen kann. Damit kann etwa mit geschlossenen Blenden oder Klappen gearbeitet werden, ohne die notwendige Kühlung zu gefährden. Zu beachten ist, dass im normalen Vollastbetrieb der Kühlbedarf der hier vorgestellten Gasturbine dem Kühlbedarf einer im Stand der Technik üblichen Gasturbine entspricht.
  • In einer Ausführungsform sind die Luftdurchlässe so ausgebildet, dass bei einer Einstellung der Einrichtung, die minimalen Strömungsquerschnitt liefert, genügend Luft zur Kühlung vom Anschlussraum in die Brennkammer fließen kann. So ist es beispielsweise möglich, mehr Luftdurchlässe oder größere Luftdurchlässe als im Stand der Technik üblich vorzusehen. Damit steht auch bei einer Einstellung der Einrichtung, die minimalen Strömungsquerschnitt liefert, also etwa bei geschlossenen Klappen, genügend Kühlluft zur Verfügung, auch wenn etwa aufgrund verschlossener Klappen der Lufteintritt in den Anschlussraum erschwert ist.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung kann mit der Einrichtung in Abhängigkeit von einem der Brennkammer zugeführten Brennstoffstrom und/oder einer Leistung der Gasturbine und/oder von einem CO-Wert der Strömungsquerschnitt eingestellt werden. Der CO-Wert kann im aus der Brennkammer abströmenden Abgas erfasst werden. Da es um die Vermeidung eines zu hohen CO-Wertes geht, ist sicherlich der Ansatz den CO-Wert zu erfassen und bei erhöhtem CO-Wert den Strömungsquerschnitt zu erhöhen, ein sinnvoller Weg. Allerdings sind aufgrund der bekannten Zusammenhänge auch andere Ansätze sinnvoll, etwa eine Ansteuerung der Einrichtung in Abhängigkeit von der zugeführten Brennstoffmenge oder der Leistung der Gasturbine. Ein Ansatz ist auch die Veränderung des Strömungsquerschnitts in Abhängigkeit von der Verbrennungstemperatur. Dies setzt freilich die nicht immer einfache Erfassung dieser Temperatur voraus.
  • Vorteilhafterweise ist eine Steuereinheit vorhanden, die ausgebildet ist, die Einrichtung entsprechend anzusteuern. Dabei soll betont werden, dass die Steuereinheit für die oben geschilderten Ansätze ausgebildet sein kann, aber auch für eine Vielzahl anderer Ansätze, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar sind.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Einrichtung in dem Bereich angeordnet ist, in dem der Querschnitt zwischen dem Außengehäuse und der Brennkammer minimal ist. Damit kann mit vergleichsweise geringem Aufwand der Strömungsquerschnitt gut beeinflusst werden.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine mit einem Verdichter und einer Brennkammer, bei dem der Strömungsquerschnitt für vom Verdichter in einen zur Kühlung der Brennkammer vorgesehenen Raum eingestellt wird und so die Kühlluftmenge verändert wird.
  • Anhand der Figuren werden manche Details noch näher beschrieben. Dabei zeigen
    • FIG 1
    die Gasturbine mit geschlossenen Klappen
    FIG 2
    die Gasturbine mit geöffneten Klappen.
  • In FIG 1 ist links oben ein Gasturbinen-Brenner 1 zu erkennen. Vom nicht weiter dargestellten Verdichter kommende verdichtete Luft strömt über einen Umlenkdiffusor in einem Umgebungsraum 3 ein. Der Hauptstrom der verdichteten Luft wird über die Brenner 1 in eine Ringbrennkammer 2 geleitet, um dort einen Brennstoff zu verbrennen. Ein Teil der verdichteten Luft kann durch den Umgebungsraum 3 in einen Anschlussraum 4 abströmen. Zu erkennen ist, dass bei der in FIG 1 dargestellten Stellung einer Klappe 5 nur ein eingeschränkter Strömungsquerschnitt zur Verfügung steht. Daher ist der Strömungswiderstand vergleichsweise hoch, so dass sich in dem Anschlussraum 4 nur ein vergleichsweise begrenzter Druck einstellt. Der Druck in dem Anschlussraum 4 reicht aber aus, hinreichend Kühlluft durch eine Brennkammerwand 6, welche die Ringbrennkammer 2 umgibt und als Brennkammeraußenschale den Verbrennungsraum zum Anschlussraum 4 hin abgrenzt, strömen zu lassen. Genauer gesagt strömt die Kühlluft durch die schematisch gezeigten Luftdurchlässe 7. In der FIG 1 sind zwei Luftdurchlässe schematisch aufgezeigt. Tatsächlich ist eine Vielzahl solcher Luftdurchlässe 7 vorhanden.
  • Im rechten unteren Bereich ist eine Schnittdarstellung zu erkennen, welche die geschlossene Klappe 5 zeigt. Zudem sind benachbarte Klappen zu erkennen. Nur zu Illustrationszwecken sind einzelne weitere Klappen mit Bezugszeichen 5a, 5b und 5c versehen. In der Tat ist eine Vielzahl weiterer gleichartiger Klappen rundherum angeordnet.
  • FIG 2 entspricht FIG 1. Der bedeutende Unterschied aber ist, dass die Klappen 5, 5a, 5b, 5c und alle weiteren Klappen geöffnet sind. Damit steht ein sehr viel größerer Strömungsquerschnitt für die Strömung vom Umgebungsraum 3 in den Anschlussraum 4 zur Verfügung. Dank dem niedrigeren Strömungswiderstand baut sich ein höherer Druck in dem Anschlussraum 4 auf. Durch die Luftdurchlässe 7 strömt entsprechend mehr Kühlluft in die Ringbrennkammer 2. Dies führt dazu, dass weniger Luft durch die Brenner 1 direkt in die Ringbrennkammer 2 strömt. Wie beschrieben erhöht sich damit das Brennstoff-Luft-Verhältnis bei der Verbrennung. Im Teillastbetrieb, in dem die Brennstoffzufuhr eingeschränkt ist, kann somit eine Reduktion der Verbrennungstemperatur und damit einhergehend eine Erhöhung der CO-Emissionen vermieden werden.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (9)

  1. Gasturbine mit einem Verdichter zur Versorgung einer Brennkammer (2) mit verdichteter Luft, einem an die Brennkammer zumindest teilweise anschließenden Anschlussraum (4),
    wobei vom Anschlussraum (4) in die Brennkammer (2) Luftdurchlässe (7) ausgebildet sind, die zur Kühlung dienen, und mit einer Einrichtung (5), mit welcher der Strömungsquerschnitt für vom Verdichter in den Anschlussraum (4) strömende Luft verändert werden kann.
  2. Gasturbine nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Anschlussraum (4) zwischen der Brennkammer (2)und einem Außengehäuse der Gasturbine liegt,
    wobei der Anschlussraum (4) insbesondere von einer Brennkammeraußenschale teilweise begrenzt ist.
  3. Gasturbine nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Brennkammer eine Ringbrennkammer (2) ist.
  4. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Einrichtung (5), mit welcher der Strömungsquerschnitt für vom Verdichter kommende Luft in den Anschlussraum (4) beeinflusst werden kann, eine Blende und/oder eine Klappe und/oder eine Anordnung mehrerer Blenden und/oder Klappen ist.
  5. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    vom Verdichter in den Anschlussraum (4) ein derartiger Luftpfad existiert, dass bei einer Einstellung der Einrichtung (5), die minimalen Strömungsquerschnitt liefert, genügend Luft in den Anschlussraum (4) strömen kann, so dass im Betrieb ein zur Kühlung hinreichender Luftstrom vom Anschlussraum (4) in die Brennkammer (2) sich einstellen kann.
  6. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Luftdurchlässe (7) so ausgebildet sind, dass bei einer Einstellung der Einrichtung (5), die minimalen Strömungsquerschnitt liefert, genügend Luft zur Kühlung vom Anschlussraum (4) in die Brennkammer (2) fließen kann.
  7. Gasturbine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    mit der Einrichtung (5) in Abhängigkeit von einem der Brennkammer (2) zugeführten Brennstoffstrom und/oder einer Leistung der Gasturbine und/oder von einem CO-Wert, der in einem aus der Brennkammer (2) abströmenden Abgas erfasst werden kann, der Strömungsquerschnitt eingestellt werden kann,
    wobei insbesondere eine entsprechend ausgebildete Steuereinheit vorhanden ist.
  8. Gasturbine nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Einrichtung (5) in dem Bereich angeordnet ist, in dem der Querschnitt zwischen einem Außengehäuse und der Brennkammer (2) minimal ist.
  9. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine mit einem Verdichter und einer Brennkammer (2), bei dem der Strömungsquerschnitt für vom Verdichter in einen zur Kühlung der Brennkammer (2) vorgesehenen Anschlussraum (4) eingestellt wird und so die Kühlluftmenge verändert wird.
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EP4008958A1 (de) 2020-12-07 2022-06-08 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Gasturbinenbrennkammersystem und verfahren zum betreiben eines gasturbinenbrennkammersystems

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