NO154809B - Brennkammer med lav nox. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en brenner som er anordnet om en akse.

Uønskede forurensninger som eksempelvis nitrogen-oksyder (N0X) utvikles ofte under en gassturbins drift. N0X oppstår i maskinens brenner ved forbrenningen av blandingen brennstoff og luft. Med henblikk på omgivelsene og også på grunnlag av spesielle offentlige bestemmelser er det ønsket å redusere den produserte mengde av N0X til lave nivåer.

Noen brennerkonstruksjoner er funnet å redusere N0X utviklingen til akseptable nivåer, men er også kompliserte og kostbare å bygge. Eksempelvis er brennere som benytter vanninnsprøytning effektive for å redusere utviklingen av N0X/ men de krever oppbevaringstanker, vannpumper og mani-folder for vanntilførsel. Totrinns brennere med mager forbrenning er også effektive for å redusere utviklingen av N0X, men slike brennere er også kompliserte og kostbare.

En annen brennerkonstruksjon som kan redusere NOx-utviklingen er totrinnsbrenneren med "fet blanding". Den typ-iske brenner av denne type omfatter to brennersoner, en sone for fet forbrenning og en sone for mager forbrenning, atskilt med en kjølesone. I kjølesonen blandes luft med de fete brenngasser for å gjøre gassene magre når de føres inn i den magre sone. Ved "fet" er ment at gassene har et forhold brennstoff-luft som er større enn 1, ved "mager" er ment at gassene har et forhold brennstoff-luft som er mindre enn 1. Mengden av N0X som produseres under brenningen av brenngass-ene både i den fete sone og i den magre sone er relativt lav. Imidlertid er mengden av N0X som produseres i avkjølingssonen, hvor forbrenningsgassene foretar en forandring fra en fet til en mager tilstand. Da utviklingen av N0X er avhengig av tiden, vil den produserte mengde N0X være mindre jo kortere tid forbrenningsgassene i en fet-mager brenner, tilbringer i omform-ingstilstanden i kjølesonen.

Kjente fet-magerbrennere benytter imidlertid kjøle-anordninger som har en tendens til å forlenge den tid det tar å kjøle forbrenningsgassene fra en. fet tilstand til en mager tilstand. Eksempelvis er stråleinntrengingsavstanden, eller avstanden som kjøleluften må bevege seg fra kjølehul-lene i veggene i kjølesonen, frem til sentrum av kjølesonen, relativt stor i mange kjente brennere. Kjøleluften må således bevege seg en relativt stor avstand for fullstendig å blandes med forbrenningsgassene og den nødvendige tid for å redusere forholdet brennstoff-luft til en mager tilstand forlenges.

For å kunne frembringe stråler med kjøleluft med til-strekkelig energi til å bevege seg over den store strålegjen-nomtrengningsavstanden, må følgelig brenneren benytte seg av kjølehull med stor diameter, heller enn liten diameter. På grunn av begrensninger med hensyn til plass og konstruksjonen, reduseres antallet kjølehull som kan benyttes, når hullene har stor diameter i forhold til en liten diameter. Et mindre antall hull med stor diameter er mindre effektive for hurtig blanding av kjøleluften med forbrenningsgassene enn et stort antall med hull med små diameter ville ha vært og således økes den tid som kreves for å redusere forholdet brennstoff-luft i forbrenningsgassene til en mager tilstand.

På denne måte resulterer den større strålegjennom-trengningsdistanse og færre kjølehull med stor diameter i en større mengde N0X produsert under forbrenningen.

Moen fet-magerbrennere benytter ringformede kjølesoner. En slik anordning tillater at kjøleluften trenger inn i kjøle-sonen gjennom kjølehull både i den radialt indre vegg og i den radialt ytre vegg av ringrommet. Imidlertid forblir kjøle-sonens høyde relativt stor, noe som krever kjølehull med stor diameter for å oppnå god blanding. Som et resultat av dette blir utviklingen av N0X relativt høy.

På grunnlag av de ovenfor nevnte problemer er det derfor er mål for den foreliggende oppfinnelse å redusere utviklingen av N0X i en fet-magerbrenner ved å redusere kjøle-sonens ringhøyde i brenneren og derved redusere den tid som kreves for kjølingen.

Det er et annet mål for den foreliggende oppfinnelse

å redusere den mengde N0X som utvikles i en fet-magerbrenner ved å øke antallet kjølehull i kjølesonen i brenneren, slik at også kjøletiden reduseres.

Med brenneren ifølge den foreliggende oppfinnelse tilfredstilles disse mål med de i kravenes karakteriserende deler anførte trekk.

Med en slik brenner fremmes hurtig reduksjon av forholdet brennstoff-luft i forbrenningsgassene og er derfor effektiv for å redusere mengden med nitrogenoksyd (N0X) som utvikles ved forbrenningen. Ved en spesiell utførelse av oppfinnelsen kan videre kjøleluft innføres til kanalen gjennom en radial indre vegg eller også gjennom en radial ytre vegg i kanalen.

Oppfinnelsen vil lettere forstås av den følgende be-skrivelse i sammenheng med tegningen hvor figur 1 viser et tverrsnitt av en utførelse av brenneren med trekkene ifølge oppfinnelsen, figur 2 viser et riss oppstrøms for brenneren langs linjen 2-2 på figur 1, figur 3 viser et diagram over den beregnede utvikling av nitrogenoksyd ved forskjellige forhold brennstoff-luft og figur 4 viser et lengdesnitt av en annen utførelse av brenneren med trekk i henhold til den foreliggende oppfinnelse.

Figur 1 viser en utførelse av en brenner 10 for en gassturbin. Brenneren 10 er innrettet i det vesentlige konsentrisk om en langsgående akse, antydet med den stiplede linje 12. Brenneren 10 omfatter et første ringformet trinn 14, et i det vesentlige sylindrisk formet annet trinn 16 anordnet nedstrøms fra det første trinn 14 og en ringformet kanal 18 anordnet mellom det første og annet trinn 14 og 16. Kanalen 18 som inneholder kjølesonen i brenneren, frembringer fluidumforbindelse mellom det første og det annet trinn 14 og 16 og er slik innrettet at alle varme gasser som trer ut av det første trinn må passere gjennom kanalen for å kunne trenge inn i det annet trinn.

Brennstoff og luft blandes og brennes i brenneren 10 og arbeidet trekkes ut av de resulterende varme gasser. Eksempelvis kan de varme gasser ledes til å strømme på tvers av bladene i en turbin (ikke vist) for å dreie turbinen.

Brennstoff og luft for forbrenning innføres i brenneren 10 gjennom dennes oppstrøms ende. Et eksempel på en anordning for innføring av brennstoff og luft kan ses på figur 1 og 2. Flere hvirvelkopper 20 er anordnet rundt brennerens 10 oppstrøms ende. Brennstoffdyser 22 tilfører brennstoff gjennom hvirvelkoppene 20. Høytrykksluft fra kompressoren (ikke vist) strømmer inn i hvirvelkoppene 20 hvor den blandes med brennstoff. Blandingen brennstoff-luft trenger deretter inn i brenneren 10 hvor den brennes. Naturligvis kan mange andre arrangementer for innføring av brennstoff og luft i brenneren1 benyttes med hell sammen med brenneren ifølge oppfinnelsen og det arrangement som er vist på figur 1 og 2 er kun eksempelvis.

Slik det ses på figur 1 omfatter det første trinn 14 og kanalen 18 hver hhv. radiale indre vegger 24 og 26 og radiale ytre vegger 28 og 30. Det annent trinn 16 omfatter en radialvegg 32. De radiale ytre vegger 28 og 30 i det første trinn 14 og kanalen 18 og den radiale vegg 32 i det annet trinn 16 avgrenses fortrinnsvis av en generelt sylindrisk foring 34 som strekker seg over den vesentlige lengde av brenneren 10. Det første trinns 14 indre vegger 24 og 26 og kanalen 18 avgrenses fortrinnsvis av et senterlegeme 36 som er anordnet konsentrisk omkring aksen 12. Senterlegemet 36 kan ha enhver ønsket form. Et eksempel på en slik form er vist på figur 1 hvor senterlegemet 36 strekker seg generelt aksialt, parallelt med aksen 12, divergerer deretter mot foringen 34 og danner derved det første trinn 14 sammen med foringen. Senterlegemet strekker seg deretter aksialt for sammen med foringen 34 å danne kanalen 18. Senterlegemet divergerer deretter mot aksen 12 for å danne en oppstrøms vegg 38 i det annet trinn 16.

Av grunner som forklares senere, er kanalen 18 anordnet slik at den radiale avstand fra aksen 12 til det radialt indre parti, dvs. den radialt indre vegg 26 i kanalen 18, er større enn den radiale avstand fra aksen 12 til det radialt indre parti, dvs. den radialt indre vegg 24 i det første trinn 14. Det er også foretrukket at kanalens 18 ringbredde, dvs. den radiale avstand mellom den radialt indrevegg 26 og den radialt ytre vegg 30 er mindre enn det første trinns 14 ringhøyde, dvs. den radiale avstand mellom den radiale indre vegg 24 og den radiale ytre vegg 28. Videre er på konstruksjonen slik den er vist på figur 1, den rar11 ale avstand fra aksen 12 til den radialt ytre vegg 30 i kanalen 18 ikke mindre enn den radiale avstand fra aksen til den radialt ytre vegg 28 i det første trinn 14.

Av grunner som også forklares nedenfor omfatter kanalen 18 flere kjølehull gjennom minst én av sine vegger. Slik det ses på figur 1 foreligger flere kjølehull 40 gjennom den radialt ytre vegg 30 i kanalen 18. Senterlegemet 36 er fortrinnsvis i det vesentlige hult og har en åpen oppstrøms ende 42 slik at senterlegemet kan motta en luftstrøm fra sin oppstrøms ende. Det parti av senterlegemet 36 som danner den radialt indre vegg 26 i kanalen 18 omfatter flere gjennomgående kjølehull 44. I tillegg omfatter senterlegemets 36 nedstrøms parti som danner veggen 38 oppstrøms i det annet trinn 16, fortrinnsvis minst et gjennomgående fortynningshull 48.

Omkring utsiden av foringen 34 er også anordnet en luftpassasje slik den er dannet mellom den generelt ringformede foring 34 og huset 50 for å frembringe en tilførsel av luft til kjølehullene 40 i den radialt ytre vegg 30 i kanalen 18.

Det ovenfor beskrevne brennerarrangement er generelt betegnet som en "fet-mager" brenner. Brennstoff innføres til det første trinn 14 gjennom brennstoffdysene 22 og blandes med en relativt liten mengde luft fra hvirvelkoppene 20. Forholdet brennstoff-luft, dvs. forholdet mellom brennstoff og luft dividert med det stoimetriske forhold brennstoff-luft, er større enn 1 slik at det første trinn 14 ofte betegnes som det fete trinn. De delvis brente gasser strømmer ned-strøms gjennom kanalen 18 hvor mer luft, kalt kjøleluft, blandes med gassene. Forbrenningen fullføres i det annet trinn i hvilket ytterligere fortynningsluft kan innføres. Forholdet brennstoff-luft i det annet trinn er mindre enn 1 og således betegnes ofte det annet trinn 16 som det magre trinn.

Figur 3 viser et diagram over den beregnede dannelse av nitrogenoskyd (N0X) i forhold til forholdet brennstoff-luft for ulike blandingstilstander. Slik det ser ut fra diagrammet utvikles lite N0X for små og store forhoHbrennstoff-luft. Eksempelvis representerer A tilnærmelsesvis forholdet brennstoff-luft i det første trinn 14. Punktet B representerer tilnærmelsesvis forholdet brennstoff-luft i det annet trinn. Slik det ses er dannelsen av N0X i både det første og annet trinn 14 og 16 relativt liten.

Imidlertid viser også diamgrammet på fiqur 3 at mel-lomliggende forhold brennstoff-luft gir høy utvikling av N0X. Eksempelvis representerer punktet C på diagrammet tilnærmelsesvis forholdet brennstoff-luft i forbrenningsgassene mens de befinner seg i kanalen 18 som inneholder brennerens kjøle-sone, under overføringen fra høyt til lavt forhold brennstoff-luft. Slik det ses er dannelsen av N0X i kanalen 18 høy.

Brenneren 10 i henhold til den foreliggende oppfinnelse er innrettet til hurtig å avkjøle eller å innføre ytterligere luft til forbrenningsgassene ettersom de passerer gjennom kanalen 18 slik at forholdet brennstoff-luft derved reduseres hurtig. Jo hurtigere forholdet brennstoff-luft i forbrenningsgassene kan senkes fra punktet A til B i diagrammet på figur 3, jo kortere tid vil forholdet brennstoff-

luft befinne seg ved punktet C og jo mindre mengde NOx vil dermed bli dannet.

Kjøleluften innføres i kanalen 18 gjennom kjølehul-

lene 40 i den radialt ytre vegg 30 i kanalen, slik det er vist på figur 1, og også fortrinnsvis gjennom kjølehullene 44 i kanalens radialt indre vegg 26.

De spesielle dimensjonen i brennerens 10 første

og andre trinn 14 og 16 krever at kanalen 18 har et tilsvarende spesielt tverrsnittsstrømningsareal for å kunne opti-mere brennerens effektivitet. Brenneren i henhold til den foreliggende oppfinnelse omfatter en innsnørt kanal 18 som har et redusert tverrsnitts-strømningsareal i forhold til det første trinn 14. Det spesielle tverrsnitts strømnings-areal i kanalen 18 kan opprettholdes og allikevel kan kanalens ringhøyde minskes ved å øke den radiale avstand for den radialt indre vegg 26 i kanalen fra akselen 12. Dette vil si at jo større den ringformede kanals 18 diameter er, jo mindre må kanalens ringformede høyde være for å opprettholde et kon-stant tverrsnitts-strømningsareal.

Hurtig blanding av kjøleluften med forbreningsgassene medfører en hurtig overføring av forbrenm.- 'sgassene fra et høyt forhold brennstoff-luft, eller en fet blanding, til et lavt forhold brennstoff-luft, eller en mager blanding. En hurtigere overføring fra punkt A på figur 3 til punkt B be-tyr av forbrenningsgassene forblir kortere tid ved punkt C

på kurven og dermed fremstilles en mindre mengde N0X.

Figur 4 viser en annen utførelse av oppfinnelsen. Denne utførelse av brenneren 54 er også en fet-magerbrenner og tilsvarer brenneren 10 vist på figur 1 bortsett fra for-men av den ytre foring og senterlegemet. Brenneren 54 er plassert i det vesentlige konsentrisk omkring en langsgående akse 56 og omfatter et første ringformet trinn 58, et i det vesentlige sylindrisk andre trinn 60 og en ringformet kanal 62 med en kjølesone og som frembringer fluidumforbindelse mellom det første og annet trinn. Brenneren 54 omfatter en foring 64 og et senterlegeme 66 som danner de første og andre trinn 58 og 60 og kanalen 62, idet foringen og senterlegemet har gjennomgående kjølehull 67 og 69.

Kanalens 62 ringhøyde er mindre enn det første trinns 58 ringhøyde og den radiale avstand fra aksen 56 til den radiale indre vegg 68 i kanalen 62 er større enn den radiale avstand fra aksen 56 til den indre radiale vegg i det første trinn 56.

Imidlertid er foringen 64 ved denne konstruksjon slik at den radiale avstand fra aksen 56 til den radiale ytre vegg 7 2 i kanalen 6 2 mindre enn den radiale avstand fra aksen til den radiale ytre vegg 74 i det første trinn 58. Dette arrangement medfører at den ytre foring 64 er slik formet at det parti av foringen som danner det første trinn 58 er forstørret radialt utad fra det parti som danner kanalen 6 2 og det annet trinn 60. På samme måte kan det parti av senterlegemet 66 som danner det første trinn 58 være utformet større radialt innover. Dette radialt forstørrede første trinn 58 tillater at det første trinn kan være aksialt kortere enn det første trinn 14 i konstruksjonen vist på figur 1. Brennerens 54 totale lengde er derfor tilsvarende kortere enn den totale lengde av brenneren 10 vist på figur 1. Således kan konstruksjonen på figur 4 foretrekkes hvor det kreves en brenner med kortere lengde.

Partiet av senterlegemet 66 på nedstrømssiden av

kanalen 62 er utformet for å sikre effektiv gasstrømning av forbrenningsgassene inn til det annet trinn 60. Slik det eksempelvis kan ses på figur 4 kan senterlegemet være aksi-

alt langstrakt og konvergere mot aksen 56 med en relativt liten skråstilling. Imidlertid er det underforstått at senterlegemets form kan modifiseres som ønsket for å gjøre det mest egnet for de driftsbetingelser som ønskes i brenneren.

Brenneren 54 virker og er også effektiv for å redu-

sere utviklingen av N0X på samme måte som brenneren 10 i den første utførelse, hvorfor denne del av beskrivelsen ikke gjen-

tas .

Claims (11)

1. Brenner anordnet konsentrisk om en akse (12), KARAKTERISERT VED at et ringformet første trinn er avgrenset av

radialt indre (24) og ytre (28) vegger og med anordninger (20, 22) for innføring av brennstoff og luft, at et sylindrisk annet trinn (16) er avgrenset av en radial vegg (32) og anordnet nedstrøms for det første trinn, og at en ringformet kanal (18) som er avgrenset av radialt indre og ytre vegger, er anordnet mellom første (14) og andre trinn (16) idet den danner fluidforbindelse mellom disse, og har flere kjølehull gjennom minst én vegg, idet kanalen er slik anordnet at avstanden fra aksen (12) til kanalens radialt indre vegg (26) er større enn avstanden fra aksen (12) til den radialt indre vegg (24) i det første trinn.

2. Brenner ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at ring-kanalens radiale høyde er mindre enn det første trinns radiale høyde.

3. Brenner ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at det første trinns (14) radialt indre vegg (24) og kanalen er avgrenset av et senterlegeme (36).

4. Brenner ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED at senterlegemet (36) er i det vesentlige hult for å motta en gjennomgående luftstrøm og at det parti av senterlegemet som danner den indre radiale vegg i kanalen omfatter flere gjennomgående kjølehull.

5. Brenner ifølge krav 4, KARAKTERISERT VED at senterlegemets (36) nedstrømsparti omfatter minst et gjennomgående fo.rtynningshull ( 48 ) .

6. Brenner ifølge krav 5, KARAKTERISERT VED at senterlegemets (36) nedstrømsparti er avgrenset av en oppstrøms-vegg i det annet trinn.

7. Brenner ifølge krav 6, KARAKTERISERT VED at den radiale vegg (32) i det annet trinn og de radiale ytre vegger (28) i det første trinn og kanalen (18) er avgrenset av en sylinderformet foring.

8. Brenner ifølge krav 7, KARAKTERISERT VED at foringen omfatter flere kjølehull anordnet med avstand over foringen nær kanalen.

9. Brenner ifølge krav 8, KARAKTERISERT VED at den radiale avstand fra aksen til den radiale ytre vegg i kanalen ikke er mindre enn den radiale avstand fra aksen til den radialt ytre vegg i det første trinn (14).

10. Brenner ifølge krav 9, KARAKTERISERT VED at senterlegemet (36) er slik utformet at det fra sin oppstrømsende strekker seg i det vesentlige aksialt, for deretter å divergere mot foringen slik at det første trinn dannes, for deretter å strekke seg aksialt for å danne kanalen og deretter å divergere mot aksen for å danne det annet trinns opp-strøms vegg (38).

11. Brenner ifølge krav 5, KARAKTERISERT VED at den radiale avstand fra aksen til den radialt ytre vegg (72) i kanalen (62) er mindre enn den radiale avstand fra aksen til den radialt ytre vegg (74) i det første trinn (58).