NO161282B - Brenneranordning for fyringsanlegg, saerlig for brennkammere ved gassturbinanlegg, samt fremgangsmaate til dens drift. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en brenneranordning for fyringsanlegg, særlig for brennkammere ved gassturbinanlegg, hvor brennkammeret har et omtrent sylindrisk hus og et flammerør.som er montert sentrisk i huset med ringspalte og med mulighet for bevegelse under temperaturinnflytelser, som angitt i innled-ningen til patentkrav 1. Oppfinnelsen angår også en fremgangsmåte til drift avbrenneranordningen.

Slike brenneranordninger må oppfylle en rekke krav

for at deres drift skal være sikret selv under henyn til skjerpede miljøvernsbestemmelser: Således må innholdet av N0xi avgassen ikke overskride øvre grenseverdier. Det betyr

at temperaturene i forbrenningssonene ikke må være for høye og der blir tilført forbrenningssonen tilstrekkelige mengder forbrenningsluft, så der i alminnelighet blir opprettholdt et luftoverskudd. Brennerne skal kunne drives ikke bare med fyringsolje, men også med jordgass.

Et spesielt problem ligger også i behovet for ombygning av brenneranordninger som riktignok tilfredsstiller nåværende NO^-grenseverdier, men ikke lenger fremtidige slike. Med utgangspunkt i en brenneranordning av den innledningsvis angitte art ligger der som oppgave for oppfinnelsen til grunn å utforme anordningen slik at den sikrer drift med lave NO^-innhold i samsvar med de påpekte krav, og det også blir mulig å bygge om eksisterende brenneranordninger med henblikk på reduksjJ on av NO x-avgassverdiene uten å måtte skifte ut hele brennerinnretningen. En ytterligere oppgave for oppfinnelsen ligger i å skaffe en fremgangsmåte til drift av brenneranordningen med minst mulig produksjon av N0x>

Ifølge oppfinnelsen blir de stilte oppgaver løst med

de trekk som er angitt som karakteristiske i patentkrav 1

resp. 9, samt 13. Fordelaktige videre utformninger er angitt i kravene 2-8 samt 10-16.

De fordeler som kan oppnås med oppfinnelsen, er bl.a.

å se i at det allikevel forhåndenværende ringkanalsystem med sine strømningsledevegger er utformet som bærer for en forblandings-brenneranordning, hvorved en ombygning av eksisterende brenneranordninger blir gjort mulig. De foreslåtte fremgangsmåter til drift av en slik ombygget brenneranordning

som angitt i patentkravene 9-13, muliggjør en virkemåte med minimal NO x -utvikling ^ uten at. forbruket av tilsatsstoffer, særlig vann, øker i overdreven grad. Man går her ut fra den erkjennelse at langt den største del av NO^-produksjonen,

om der ikke treffes egnede mottiltak, foregår i pilotbrennerens pilotflamme, skjønt brenselandelen i denne flamme bare utgjør ca. 5-10% av den samlede brenneranordnings. En avgjørende minskning av NOx~avgivelsen kan derfor oppnås allerede ved passende påvirkning av pilotflammen. De i den forbindelse forbrukte mengder, f.eks. av vann eller vanndamp av størrelses-orden ca. 100% av pilotbrennerens brenselmengde, er stadig forholdsvis små.

Ytterligere muligheter for å påvirke pilotflammen er angitt i patentkravene 14-16. Plasseringen av gassinnløpene i den kanal som opprinnelig tjener til lufttilførsel, muliggjør en drift av pilotbrenneren som en slags forblandings-brenner. Ved lastavhengig endring av forholdet mellom brensel og luft er det i den forbindelse mulig å vedlikeholde stabiliteten av pilotflammen og dermed den samlede brennerflamme. I områder hvor brennerflammen brenner stabilt uansett (X = 1,8 + 0,4), kan pilotflammen drives med et slikt forhold mellom brensel og luft. Ved minskning av totallasten, dvs. ved avtagende samlet brenselmengde, må brenselandelen i pilotflammen høynes (f.eks. til X = 1,4 + 0,4). Denne målrettede inhomogenitet stabiliserer brennerens samlede flammekonfigurasjon. Fordelen ved å gå frem på denne måte ligger i en minskning av NO^-emisjonen i nærheten av arbeidspunktet ved minskning av pilotflammens NO^-produksjon såvel som i en utvidelse av brenneranordningens arbeidsområde i retning av lavere luft-verdier. I dellastområdet er det ved ekstra vann- eller damp-tilblanding mulig å holde NO^-emisjonen lav til tross for inhomogeniseringen av blandingsfeltet. Viktig i den forbindelse er det at de tilblandede inertstoffer forefinnes mest mulig fullstendig i pilotflammen. I nærheten av arbeidspunktet dvs. i anordningens foretrukne driftsområde, er det i alminnelighet mulig å unnvære tilblanding av inertstoffer.

Ytterligere trekk og fordeler ved oppfinnelsestanken fremgår av den følgende beskrivelse, hvor der under henvisning til tegningen gjøres rede for utførelseseksempler på oppfinnelsen. Fig. 1 viser aksialsnitt av en brenneranordning ifølge oppfinnelsen hvor de deler av brenneren og brennkammeret som ikke behøves for forståelsen av oppfinnelsen, er utelatt.

Fig. 2 viser et diagram hvor f.eks. NO -innholdet i

mg/m (ordinatakse) er oppført i avhengighet av forbrennings-3 x gassenes temperatur $T]. ved inngangen til gassturbinen (abscis-seakse). Fig. 3 viser skjematisk en del av fig. 1 i større måle-stokk for tydeligere å vise anordningen av gassinnløp i luft-tilførselskanalen til pilotbrenneren. Fig. 4 viser en annen utførelsesform for gassinnløpene på fig. 3.

Brenneranordningen B på fig. 1 tilhører et gassturbinanlegg i samsvar med det foretrukne anvendelsesområde for oppfinnelsen. Brenneranordningen B er imidlertid også egnet for gassfyrte fyringsanlegg ved kjeler.

Det tilhørende brennkammer BK har et sylindrisk hus

1, som bare er vist i utsnitt, og et flammerør 2 som er sentrisk montert i dette med ringspalteSq og med mulighet for bevegelser under temperaturinnflytelser. Huset 1 er bare inntegnet skjematisk og ikke måltro, og eksempelet er ikke begrenset til den viste brenneranordning B med en enkelt brenner. I de aller fleste tilfeller har brennkammeret BK

seks eller åtte brennere i henholdsvis heksagonal og orto-gonal anordning.

Hver av de enkelte brenneranordninger B består av minst en pilotbrenner PB som er utført med brenseldyser 3.1, 3.2

og dessuten med driverskovler 4 på sitt brennerhode 3 i front-området av flammerøret 2 og kan drives med jordgass E og/eller brenselolje H som brensel. Hodet 3 av pilotbrenneren PB er koaksialt - referert til brenneraksen b - omgitt av et ringkanalsystem R med indre og ytre strømningsledevegger r1 og r2, hvorved der fremkommer et ringformet kanaltverrsnitt 5

som tjener til å tilføre hovedandelen av forbrenningsluften L fra ringspaltenSq til den forbrenningssone (ikke vist)

som danner seg på nedstrømsiden av brennerhodet 3. Ringspalten får tilført forbrenningsluft L under trykk fra gassturbinens kompressor. De hete brenngasser strømmer inn i turbinens skovlhjul.

Forbrenningsluften L som eventuelt med jordgass til-blandet, trer ut av det ringformede kanaltverrsnitt 5 og over i et sirkeltverrsnitt 6 på nedstrømsiden av brennerhodet 3, fører sammen med den luft som trer inn gjennom det med brenneren koaksiale ringrom 16 til et hvirvlingsfelt med resirkulasjonsfelt i flammeområdet. Viktig er her at den lokale hastighet i den roterende strømning som danner seg, er stor nok til å blande forbrenningsluften intimt med flammekjeglen av den innsprøytede, finforstøvede brenselolje H resp. den innblåste jordgass E, så reaksjonsblandingen

i samvirkning med brenseltilførselen til pilotflammen får kortest mulig oppholdstid i området for støkiometriske be-tingelser, hvorved der er sikret minst mulig NO^-innhold. Dette kan minskes ytterligere ved innsprøytning av vann W

fra vanndyser 7 eller av damp D fra dampdyser 8, som antydet stiplet. Særlig gunstig er det om disse inertstoffer spesielt også forefinnes i pilotflammen, da det meste NO^ ellers oppstår der. Den anordning av dysene 7, 8 som oppfinnelsen gir an-visning på, gjør dette mulig.

I samsvar med oppfinnelsen er videre ringkanalsystemet

R med sine strømningsledevegger r1, r2 utformet som forblandings-brenneranordning VM til forbrenning av jordsgass E.

Til formålet er tilstrømningstverrsnittet 5 (også betegnet

som kanaltverrsnitt) av det mot ringspaltenSq åpne ringkanalsystem R gjennomsatt av en flerhet av dyserør som er rettet stort sett på tvers av luftstrømningen L. Dyserørene 9 er ved de ender som vender mot den indre strømningsledevegg r1, tilsluttet et jordgass-tilførselssystem EZ som omgir pilotbrenneren PB omtrent konsentrisk. Munningene av dyserørene 9 er, som antydet ved de små jordgass-strømningspiler e, anordnet på den side av dyserørene 9 som vender bort fra luft-tilstrømningssiden av ringkanalsystemet R. Hvert av de over

det ringformede kanaltverrsnitt 5 fordelte dyserør, som sammen-holdt med rørdimensjonene av diffusjonsbrenneren DB også

kan betegnes som "fine" rør, har fem dyseåpninger, og kransen av dyserør 9 omfatter i eksempelet 24 "fine" rør, som imidlertid ennå levner tilstrekkelig fritt tilstrømningstverrsnitt for forbrenningsluften L. Kransen av fine rør virker som en jordgassdusj som bidrar til optimal sammenblanding med forbrenningsluften L.

Ledningssystemet for tilførsel av jordgass til forblandingsbrenneren VM oppviser et ringformet innløpskammer 10

med en tilslutningsvegg 10.1 for dyserørene 9, anordnet konisk avskrånet mot aksen b for pilotbrenneren PB. Innløpskammeret 10 forløper sneglehusformig kontinuerlig avsmalnende fra et større begynnelsestverrsnitt (venstre halvdel av fig. 1) tilsluttet jordgassmateledningen 11, til en mindre endetverrsnitt (høyre halvdel av fig. 1) av de siste av de dyserør 9 i dyserørkransen som skal pådras, så forbrenningsluftens strømningshastighet er omtrent lik i alle dyseåpningene.

Ringkanalsystemet R er begrenset av de allerede nevnte indre og ytre strømningsledevegger r1, r2, som i det minste tilnærmet ligger på hver sin kjeglemantel hvis kjegleakser faller sammen med aksen b for pilotbrenneren PB. For å danne det ringformede kanaltverrsnitt 5 er de .innbyrdes forskutt aksialt i pilotbrenneraksens retning. Den konisk avskrånende tilslutningsvegg 10.1 for innløpskammeret 10 er likerettet med den indre koniske strømningsledevegg r1 og faller som man ser, delvis sammen med denne. Særlig plassbesparende og strømningsgunstig er det om innløpskammeret 10 som vist er anordnet i den ringformede nisje som fremkommer mellom en sylindervegg 12 som omgir pilotbrenneren PB, og den indre strømningsledevegg r1.

Den forbrenningsluft L som strømmer til forblandingsbrenneren VM, får sin periferiske hastighetskomponent påtrykt av hvirvlingsskovlene 13 som er etterkoblet dyserørene 9,

og hvis ledeskovle-lengdeakser forløper omtrent parallelt med dyserørenes akser.

Funksjonen av pilotbrenneren PB blir supplert med forblandingsbrenneren VM, dvs. at der ved jordgassdrift etter start og forvarmning kobles om fra pilotbrenner- til for blandingsbrenner-drift med tilsvarende lave NOx~verdier. Tenningen av pilotbrenneren PB skjer med en tenningsbrenner

Z som til formålet oppviser et lite gassrør z1 og en stav-eller rørformet elektrodeanordning z2. Denne tenningsbrenner Z slukner når der på brennerhodets nedstrømside brenner en varig flamme. Tenningen av forblandingsbrenneren VM skjer ved hjelp av flammen fra pilotbrenneren PB. Noe tilbakeslag av flammen til forblandingsbrennerområdet kan selv uten flamme-holder ikke inntre hvis der sørges for tilstrekkelig luft-hastighet. - Det sentrale rør 30 hos pilotbrenneren PB tjener til tilførsel av brenselolje H, og med en første mantel 31

som omgir det sentrale brennerrør blir der dannet et ringrom 14 til innmatning av jordgass E. Dette ringrom 14 munner i området for brennerhodet 3 via en konisk dysevegg 32 ut i strømningsrommet 33 for den brennerhodesidige hvirvelstjerne 4. som med sine ledeskovler holdes mellom den indre dysevegg

32 og en ytre konus 15. Denne er festet på kanten av konusåp-ningen i den indre strømningsledevegg r1. Den annen brennermantel, som omgir den første brennermantel 31 konsentrisk, utgjøres av den ytre sylindervegg 12 som danner et annet ringrom 16 koaksialt med brenneren. Dette rom ender likeledes i strømningsrommet hos den brennerhodesidige hvirvlingsstjerne 4 og tjener til tilførsel av luft til pilotflammen og eventuelt til innmatning av vann W via dyser 7 eller av vanndamp D

via dyser 8, som allerede forklart. Den samlede brennerenhet PB/VM er ved sin nedre ende festet på en flens 2.1a på ende-veggen 2.1 av flammerøret 2 ved hjelp av en rørstuss 17 med flens 17.1. Rørstussen 17 er sveiset fast til den ytre strøm-ningsledevegg r2. Flensskruene er betegnet med 18.

I diagrammet på fig. 2 viser øvre kurve k1 mengden

av NO^i den tørre avgass ved 15 vol.% under drift av hybridbrenneren uten r^O-innsprøytning og uten innkoblet forblandingsbrenner VM. som funksjon av arbeidsmediets temperatur & ved inngangen til gassturbinen. Kurve k1.1 viser det bratte fall i avgitt NO^-mengde ved overgang til forbland-ingsdrift og kurve k2 den videre reduksjon av NO^-innholdet i avgassen ved drift av hybridbrenneren med H^O-innsprøytning.

Fig. 3 viser skjematisk en utførelsesmulighet for en omlegning av gassinnløpene 36 til pilotbrenneren PB til det annet med brenneren koaksiale ringrom 16 som ellers tjener til lufttilførsel for lastavhengig endring av brensel-luft-blandingen. Ved hjelp av en ekstra rørledning 15 som mates og styres særskilt og er ført gjennom den indre vegg 31 av annet ringrom 16, kan gassen nå innmates i dette ringrom 16. Egnede utløpsåpninger 37 som fortrinnsvis ligger loddrett på den øvrige luftstrømning i dette ringrom 16, muliggjør god sammenblanding. På denne måte blir pilotbrenneren PB

ikke lenger drevet som diffusjonsbrenner, men tilnærmet som særskilt matet forblandingsbrenner. Prinsipielt er det av underordnet betydning hvilken vei tilleggsluften tilføres på, så der for plasseringen av rørledningen 35 og gassutløpene 36, hvorav flere er fordelt over omkretsen, foreligger mange muligheter.

På fig. 4 er der således skjematisk vist et eksempel

på en annen variant av gassinnløpene. Konsentrisk med annet ringrom 16 er der anordnet en ringkanal 38 som har flere boringer 39 gjennom veggen 31 av annet ringrom 16, fordelt rundt omkretsen. Ringkanalen 38 mates lastavhengig av luft gjennom en rørledning 40.

Claims (16)

1. Brenneranordning (B) for fyringsanlegg, særlig for brennkammere (BK) ved gassturbinanlegg, hvor brennkammeret har et sylindrisk hus (1) og et flammerør (2) som er montert sentrisk i dette med ringspalte (Sq) og med mulighet for bevegelser ved temperatur innflytelser, og hvor brenneranordningen (B) består av minst en pilotbrenner (PB) som frembringer en pilotflamme og er anordnet i flammerørets (2) frontområde, og som kan drives med jordgass (E) og/eller fyringsolje (H) som brensel og har en lufttil-førselskanal (16) samt et ringkanalsystem (R) som omgir pilotbrennerens (PB) hode (3) og oppviser strømningsledevegger (ri, r2) for tilførsel av hovedandelen av forbrenningsluften fra ringspalten (Sq) til en forbrenningssone som danner seg i flammerøret (2) på brennerhodets (3) nedstrømsside, samt hvor forbrenningsluftens strømningsvektorer oppviser komponenter som i retning parallelt med eller i spiss vinkel i forhold til brenneraksen munner ut i forbrenningssonen, og på hvilke der er overlagret tangensialtrettede hvirvlings-komponenter med brenneraksen (b) som hvirvlingssentrum, karakterisert ved at ringkanalsystemet (R) med sine strømningsledevegger (r1, r2) er utformet som forblandingsbrenner-anordning (VM) til forbrenning av jordgass (E), at det mot ringspalten (Sq) åpne tilstrømningstverrsnitt (5) til dette formål er innsatt en rekke dyserør (9) rettet omtrent tvers på luftstrømningen (L), at dyserørene (9) med sine ene ender er tilsluttet et jordgass-tilførselsledningssystem (EZ) som stort sett konsentrisk omgir pilotbrenneren (PB), og at dyserørenes (9) dyseåpninger er anordnet på den fra ringkanalsystemets (R) lufttilstrømningsside bortvendte side av dyserørene (9).

2. Brenneranordning som angitt i krav 1,karakterisert vedat jordgass-tilførselssystemet (EZ) oppviser et ringformet innløpskammer (10) med en mot pilotbrennerens (PB) akse (b) konisk avskrånet tilslutningsvegg (10.1) for dyserørene (9).

3. Brenneranordning som angitt i krav 2,karakterisert ved at ringkanalsystemet (R) er begrenset av indre og ytre strømningsledevegger (ri, r2) som i det minste tilnærmet ligger på hver sin kjeglemantel hvis kjegleakse faller sammen med pilotbrennerens (PB) akse (b), og som er innbyrdes aksialt forskutt i pilotbrenneraksens retning, og at innløpskammerets (10) konisk avskrånede tilslutningsvegg (10.1) er rettet likt med den indre koniske strøm-ningsledevegg (r1) resp. i det minste delvis faller sammen med denne.

4. Brenneranordning som angitt i krav 3,karakterisert vedat innløpskammeret (10) er anordnet i den ringnisje som fremkommer mellom en sylindervegg (12) som omgir pilotbrenneren (PB) koaksialt og den indre strøm-ningsledevegg (r1).

5. Brenneranordning som angitt i et av kravene 1-4,karakterisert vedat der er etterkoblet dyserørene (9) et hvirvlingsskovlsystem (13) hvis ledeskovle-akser forløper omtrent parallelt med dyserørenes akser.

6. Brenneranordning som angitt i et av kravene 1-5,karakterisert ved at pilotbrenneren (PB) med sitt sentrale brennerrør (30) som tjener til tilførsel av fyringsolje (H), oppviser en første brennermantel (31) som omgir brennerrøret og danner et ringrom (14) som tjener til innmatning av jordgass (E) og i området for brennerhodet (3) via en dysevegg (32) munner ut i strømningsrommet (33) hos en brennerhodesidig hvirvlings-st jerne ( 4 )/ samt oppviser en ! annen brennermantel i form av den ytre sylidervegg (12) som oppviser et annet med brenneren koaksialt ringrom som danner pilotbrennerens (PB) lufttilførsels-kanal (16), son<i>likeledes ender i strømningsrommet (33) hos denbrennerhodesidige hvirvlingsstjerne (4), og tjener til tilførsel av luft, samt oppviser organer (7 resp. 8) til innmatning av inertstoff, fortrinnsvis av vann (W) eller vanndamp (D) i forbrenningssonen.

7. Brenneranordning som angitt i krav 2, 3 eller 4,karakterisert vedat innløpskammeret (10) forløper sneglehusformig avsmalnende fra en større begynnelsestverrsnitt tilsluttet jordgassmateledningen (11), til et mindre endetverrsnitt, hvor de siste av dyserørkransens på-dragende dyserør (9) er tilsluttet.

8. Brenneranordning som angitt i et av kravene 1-7,karakterisert vedat der for gasstilførsel til pilotbrenneren (PB) er anordnet flere, særskilt matede og styrte gassinnløp (37; 39) som er fordelt over omkretsen i dens lufttilførselskanal (16) på oppstrømsiden og med avstand fra hvirvlingsstjernen (4).

9. Brenneranordning som angitt i krav 8,karakterisert vedat gassinnløpene (37; 39) består av flere rør (35) som er fordelt over omkretsen og ført gjennom veggen (12 eller 31) av lufttilførselskanalen (16).

10. Brenneranordning som angitt i krav 9,karakterisert vedat innløpsrørene (35) rager et stykke (36) inn i lufttilførselskanalen (16).

11. Brenneranordning som angitt i krav 10,karakterisert vedat rørstykkene (36) innenfor lufttil-førselskanalen (16) oppviser flere gassutløpsåpninger (37), fortrinnsvis omtrent loddrett på luftstrømningsretningen.

12. Brenneranordning som angitt i krav 8,karakterisert vedat gassinnløpene er utformet som boringer (39) gjennom veggen (12 eller 31) av en ringkanal som er anordnet konsentrisk til lufttilførselskanalen (16), og oppviser en særskilt gasstilførselsledning (40). - f

13. Fremgangsmåte til drift av en brenneranordning som angitt i krav 1 eller 6,karakterisert vedat der ved drift i nærheten av brenneranordningens arbeidspunkt innmates en mengde inertstoffer, fortrinnsvis vann (w) eller vanndamp (D), mellom 50% og 120% av pilotbrennerens (PB) brenselmengde, og det slik at der finnes en størst mulig andel av disse inertstoffer j pilotbrennerens (PH) flanur.e.

14. Fremgangsmåte til drift av en brenneranordning som angitt i et av kravene 8-12,karakterisertved at forholdet mellom brensel og luft ved pilotbrenneren (PB) endres lastavhengig, idet innmatningen av gass i luft-tilførselskanalen (16) på oppstrømsiden av og i avstand fra hvirvlingsstjernen (4) endres i avhengighet av den totale brenselmengde.

15. Fremgangsmåte som angitt i krav 14,karakterisert vedat der ved avtagende samlet brenselmengde innmates gassmengder i tiltagende grad i lufttilførselskanalen (16) for ved målrettet inhomogenitet å stabilisere hele brenneranordningens flamme, hvorunder pilotbrenneren (PB) arbeider med en luftverdi på omtrent $ = 1,4 + 0,4.

16. Fremgangsmåte som angitt i krav 14,karakterisert vedat den innmatede gassmengde i nærheten av arbeidspunktet innstilles slik at der ved utgangen fra pilotbrenneren (PB) fremkommer en stort sett ensartet blanding med omtrent samme luftverdi = 1,8 + 0,4) som i den ytre hovedstrømning.