WO1997024561A1 - Verfahren zum betrieb einer gasturbogruppe mit niederkalorischem brennstoff - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer gasturbogruppe mit niederkalorischem brennstoff Download PDF

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WO1997024561A1
WO1997024561A1 PCT/CH1996/000441 CH9600441W WO9724561A1 WO 1997024561 A1 WO1997024561 A1 WO 1997024561A1 CH 9600441 W CH9600441 W CH 9600441W WO 9724561 A1 WO9724561 A1 WO 9724561A1
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Rolf Althaus
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    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
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    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
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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
    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00002—Gas turbine combustors adapted for fuels having low heating value [LHV]

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a gas turbine group with low-calorific fuel, the gas turbine group essentially consisting of a compressor, a combustion chamber, a turbine and a generator, and the low-calorific fuel being compressed by means of a fuel compressor
  • the invention is based on the object of stabilizing the combustion of fuels with low calorific values in a method for operating a gas turbine group with low-calorific fuel of the type mentioned at the outset
  • the essence of the invention is therefore that when starting the gas turbine group in a part of the combustion air, low-calorific fuel is admixed in an over-stoichiometric manner, so that a stable flame is produced that the quantity of low-calorific fuel at the latest after reaching the nominal speed and synchronization is lowered to such an extent that a superstoichiometric ratio is just reached and that the remaining low-calorific fuel is mixed into the remaining combustion air flow in order to achieve the desired load.
  • the advantages of the invention can be seen, inter alia, in the fact that the gas turbo group can essentially be operated solely with low-calorific fuel. This increases the economy of gas turbines which are operated with low calorific substances with the lowest calorific values.
  • Figure 1 is a schematic representation of a gas turbine group.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of the operating method of the gas turbo group
  • FIG. 5 shows a partial cross section through the burner from FIG. 4;
  • FIG. 6 shows a partial development of the burner from FIG. 4;
  • Fig. 7 top view of the burner outlet from the cavity.
  • FIG. 1 schematically shows a gas turbine group, essentially consisting of a compressor 40, a gas turbine 41 and a generator 46, which are connected by a shaft 42, and a combustion chamber 43.
  • a fuel compressor 48 is arranged to compress low-calorific, gaseous fuel.
  • the fuel compression can also be carried out in any other way.
  • the compressor 40 air is sucked in via an air supply 44, compressed and the compressed air is conducted into the combustion chamber 43.
  • the combustion air is supplied with fuel in the form of additional fuel 45 (pilot gas or liquid fuel) or compressed, low-calorific fuel 11 and the fuel-air mixture is burned.
  • the resulting flue gases are introduced into the gas turbine 41, where they are expanded and part of the energy of the flue gases is converted into rotational energy. This rotational energy is used via the shaft 42 to drive the generator 46 and the compressor 40.
  • the still hot exhaust gases are discharged via a line 47.
  • a burner 1 of the combustion chamber 43 consists essentially of a central fuel lance 2, an inner tube 3 and an outer tube 4, which are arranged concentrically to an axis of symmetry 8.
  • a fuel nozzle (not shown in more detail) for the injection of liquid fuel.
  • the liquid fuel is directed to the fuel nozzle via the fuel lance.
  • An annular channel 5 is formed by the fuel lance 2 and the inner tube 3, via which low-calorific gas, to which high-calorific gas can be added depending on the calorific value, is introduced as a pilot gas 10 into the combustion chamber 43.
  • An inner channel 3 is formed by the inner tube 3 and the outer tube 4 and is divided into an inner partial channel 21 and an outer partial channel 22 via a partition.
  • the ratio of the partial cross sections of the partial channels 21, 22 can be set by the radial position of the partition 20, whereby the low-calorific fuel can also be divided accordingly.
  • the combustion air is also divided into two partial air flows 9a and 9b by the partition wall 20. Flows through the inner sub-channel 21 Partial fuel stream 11a of the low calorific fuel, through the outer subchannel 22 a partial fuel stream 11b of the low calorific fuel flows.
  • the partial flows 11a, 11b are regulated by various valves, not shown.
  • swirl bodies 7 are arranged which support the mixing of fuel 10, 11 and combustion air 9a, 9b.
  • the fuel quantity M is plotted in percent on the ordinate.
  • the speed is plotted on the abscissa from point A to point B and the load from point B to point C. At point A, the speed is zero and rises to point B, where the nominal speed is reached, for example 3600 revolutions per minute for 60 hearts
  • the transient start-up process is carried out with low-calorific gas 11 a, which is supplied through the inner partial duct 21. Because the low caloric gas required for starting with a smaller amount of air, i.e. with the partial air flow 9a, due to the smaller cross section of the sub-channel 21, a richer mixture is created and thus a stable combustion
  • the gas turbine group After reaching the nominal speed in point B, the gas turbine group is synchronized with the network into which the electrical energy generated in generator 46 is to be fed
  • the second partial fuel flow 11b of the low-calorie fuel is switched on via the outer partial channel 22 before or after the synchronization.
  • the fuel quantity of the first partial fuel stream 11a is to be reduced so far that a stable flame is maintained.
  • the second partial fuel flow 11b is thus also provided with the largest possible amount of fuel, which leads to stable operation even when the external burner subchannel 22 is switched on.
  • the total amount of low calorific fuel 11a and 11b is set essentially linear to the load.
  • fuel 12 can additionally be injected into the center of the flame. This is done by means of liquid fuel via the fuel lance 2 or by means of pilot gas 10 via the channel 5 of the burner.
  • the amount of fuel 12 is small and is usually below five percent of the amount of fuel supplied.
  • the burner 1 is arranged in a combustion chamber 43.
  • Combustion air 9 is fed into a dome 24 and from there it is led to the downstream end of the burner 1 via air channels 25 running in the flow direction.
  • the air duct is not divided into an outer and an inner area.
  • the burner 1 is here also divided by means of partition walls 28 in the flow direction alternately into radially expanding air ducts 25 and fuel ducts 21 ', 22', the fuel ducts in turn being subdivided into a ring by the partition wall 20.
  • the low calorific gas 11a and 11b is guided around the burner via annular channels 26 and 27, which surround the burner 1, and is fed into the inner fuel channel 21 'and the outer fuel channel 22' via openings 29, 30.
  • the low-calorific fuel is fed in when starting and operating the burner as described above. Even though here the combustion air is not subdivided into a ring, the low-calorific gas 11a supplied through the inner subchannel 21 essentially mixes only with the combustion air in the center of the burner, corresponding to FIG ⁇ mixed air 9, a rich mixture is formed at least in the center of the burner and thus a stable combustion. A flame thus arises in the interior of the combustion chamber which, if no fuel 11b is supplied via the outer fuel channel 22 ', is enveloped with combustion air 9.
  • No swirl bodies 7 are arranged in the burner from FIG.
  • the mixing of combustion air 9 and fuel 11a, 11b takes place through a curvature of the partition wall 28 at the downstream end of the burner 1. This creates a swirl when exiting the burner, which mixes fuel and combustion air.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Betrieb einer Gasturbogruppe mit niederkalorischem Brennstoff, besteht die Gasturbogruppe im wesentlichen aus einem Verdichter, einer Brennkammer, einer Turbine und einem Generator. Der niederkalorische Brennstoff wird mittels eines Brennstoffverdichters verdichtet. Beim Anfahren der Gasturbogruppe wird in einen Teil der Verbrennungsluft (9, 9a) niederkalorischer Brennstoff (11a) überstöchiometrisch zugemischt, so dass eine stabile Flamme entsteht. Spätestens nach Erreichen der Nenndrehzahl (B) und der Synchronisation wird die Menge des niederkalorischen Brennstoffes (11a) so weit abgesenkt, dass gerade noch ein überstöchiometrisches Verhältnis erreicht wird. In den restlichen Verbrennungsluftstrom (9, 9b) wird der restliche niederkalorische Brennstoff (11b) zur Erreichung der gewünschten Last zugemischt.

Description

Verfahren zum Betrieb einer Gasturbogruppe mit niederkalorischem Brennstoff
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbogruppe mit nieder¬ kalorischem Brennstoff, wobei die Gasturbogruppe im wesentlichen aus einem Verdichter, einer Brennkammer, einer Turbine und einem Generator besteht und wobei der niederkalorische Brennstoff mittels eines Brennstoffverdichters verdich¬
Stand der Technik
Derartige Verfahren sind bekannt Im Gegensatz zu Gasturbinen, welche mit her¬ kömmlichen mittel- oder hochkalorischen Brennstoffen wie Erdgas oder Oel mit einem Heizwert von 40 MJ/kg oder mehr betrieben werden, stellt bei Gasturbinen welche einen niederkalorischen Brennstoff mit einem Heizwert in der Grossen¬ ordnung unter 10 MJ/kg verwenden, die Stabilisation der Verbrennung ein Pro¬ blem dar Besonders bei Heizwerten unterhalb 3 MJ/kg (≡ 700 kcal/mn3) wird die Flamme instabil
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren zum Betrieb einer Gasturbogruppe mit niederkalorischem Brennstoff der eingangs genannten Art die Verbrennαng von Brennstoffen mit geringen Heizwerten zu stabilisieren
Erfindungsgemäss wird dies durch die Merkmale des ersten Anspruches erreicht Kern der Erfindung ist es also, dass beim Anfahren der Gasturbogruppe in einen Teil der Verbrennungsluft niederkalorischer Brennstoff überstöchiometrisch zu¬ gemischt wird, so dass eine stabile Flamme entsteht, dass spätestens nach Errei¬ chen der Nenndrehzahl und der Synchronisation die Menge des niederkalori¬ schen Brennstoffes so weit abgesenkt wird, dass gerade noch ein überstöchiome- trisches Verhältnis erreicht wird und dass in den restlichen Verbrennungsluftstrom der restliche niederkalorische Brennstoff zur Erreichung der gewünschten Last zugemischt wird.
Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass die Gastur- bogruppe im wesentlichen alleine mit niederkalorischem Brennstoff betrieben werden kann. Dadurch wird die Wirtschaftlichkeit von Gasturbinen die mit nieder¬ kalorischen Stoffen mit geringsten Heizwerten betrieben werden erhöht.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dar¬ gestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Gasturbogruppe;
Fig. 2 einen Teilquerschnitt durch einen Brenner der Gasturbogruppe;
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Betriebsverfahrens der Gasturbo¬ gruppe;
Fig. 4 eine Brennkammer mit Brenner der Gasturbogruppe;
Fig. 5 einen Teilquerschnitt durch den Brenner aus Fig. 4;
Fig. 6 eine Teilabwicklung des Brenners aus Fig.4;
Fig. 7 Draufsicht auf den Brenneraustritt vom Bronnraum aus.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Weg zur Ausführung der Erfindung
In Fig. 1 ist schematisch eine Gasturbogruppe dargestellt, im wesentlichen beste¬ hend aus einem Verdichter 40, einer Gasturbine 41 und einem Generator 46, die über eine Welle 42 verbunden sind, sowie einer Brennkammer 43. Zwischen Verdichter und 40 und Generator 46 ist zusätzlich ein Brennstoffverdichter 48 zur Verdichtung von niederkalorischem, gasförmigen Brennstoff angeordnet. Selbst¬ verständlich kann die Brennstoffverdichtung auch auf beliebige andere Weise erfolgen. Im Verdichter 40 wird Luft über eine Luftzuführung 44 angesaugt, kom¬ primiert und die verdichtete Luft in die Brennkammer 43 geleitet. Dort wird der Verbrennungsluft Brennstoff in der Form von Zusatzbrennstoff 45 (Pilotgas oder flüssiger Brennstoff) oder von verdichtetem niederkalorischen Brennstoff 11 zuge¬ führt und das Brennstoff-Luft-Gemisch verbrannt. Die entstandenen Rauchgase werden in die Gasturbine 41 eingeleitet, wo sie entspannt werden und ein Teil der Energie der Rauchgase in Drehenergie umgewandelt wird. Diese Drehenergie wird über die Welle 42 zum Antrieb des Generators 46 und des Verdichters 40 verwendet. Die noch heissen Abgase werden über eine Leitung 47 abgeführt.
Nach Fig.2 besteht ein Brenner 1 der Brennkammer 43 im wesentlichen aus einer zentralen Brennstoff lanze 2, einem inneren Rohr 3 und einen äusseren Rohr 4, welche konzentrisch zu einer Symmetrieachse 8 angeordnet sind. Am stromab- wärtigen Ende der Brennstofflanze 2 ist eine nicht näher dargestellte Brennstoff¬ düse zur Eindüsung von flüssigem Brennstoff angeordnet. Der flüssige Brennstoff wird dabei über die Brennstofflanze zur Brennstoffdüse geleitet. Durch die Breπnstofflanze 2 und das innere Rohr 3 wird ein ringförmiger Kanal 5 gebildet, über den niederkaloriges Gas, dem je nach Heizwert hochkaloriges Gas zuge¬ mischt werden kann, als Pilotgas 10 in die Brennkammer 43 eingeleitet wird. Durch das innere Rohr 3 und das äussere Rohr 4 wird ein ringförmiger Kanal gebildet, der über eine Trennwand in einen innerern Teilkanal 21 und einen äu- sserem Teilkanal 22 unterteilt wird. Durch die radiale Position der Trennwand 20 kann das Verhältnis der Teilquerschnitte der Teilkanäle 21 , 22 eingestellt werden, wodurch der niederkalorische Brennstoff ebenfalls entsprechend aufgeteilt wer¬ den kann. Durch die Trennwand 20 wird die Verbrennungsluft ebenfalls in zwei Teilluftströme 9a und 9b unterteilt. Durch den inneren Teilkanal 21 strömt ein Teilbrennstoffstrom 11 a des niederkalorischen Brennstoffes, durch den äusseren Teilkanal 22 strömt ein Teilbrennstoffstrom 11 b des niederkaloπschen Brennstof¬ fes. Die Teilstrome 11a, 11b werden dabei durch verschiedene, nicht dargestellte Ventile geregelt. Am stromabwärtigen Ende des Kanales 6 sind Drallkorper 7 an¬ geordnet, welche die Durchmischung von Brennstoff 10, 11 und Verbrennungsluft 9a, 9b unterstützen.
In Fig. 3 ist auf der Ordinate die Brennstoffmenge M in Prozent aufgetragen. Auf der Abszisse ist vom Punkt A zum Punkt B die Drehzahl, und vom Punkt B zum Punkt C die Last aufgetragen. Im Punkt A ist die Drehzahl gleich Null und steigt bis zum Punkt B an, wo die Nenndrehzahl erreicht wird, beispielsweise 3600 Um¬ drehungen pro Minute für 60 Herz
Um einen sicheren Start der Gasturbogruppe zu gewährleisten, wird der transien- te Anfahrprozess mit niederkalorischem Gas 11a gefahren, das durch den inneren Teilkanal 21 zugeführt wird. Dadurch dass das zum Starten benötigte niederkalo- πsche Gas mit einer kleineren Luftmenge, d.h. mit dem Teilluftstrom 9a, bedingt durch den kleineren Querschnitt des Teilkanals 21 , zugeführt wird, entsteht ein fetteres Gemisch und somit eine stabile Verbrennung
Da auch hier aufgrund der relativ kleinen Teilkanalquerschnitte nur relativ kleine, nicht dargestellte Ventile zur Regelung des Brennstoffmassenflusses verwendet werden müssen, kann dadurch auch hier eine sehr schnelle Regelung erfolgen, was schnelle Temperaturkorrekturen erlaubt. Aus diesen Temperaturkorrekturen ergibt sich der Buckel beim Punkt D. Beim Hochfahren der Gasturbogruppe be¬ ginnt das System Verdichter 40 und Turbine 41 im oberen Drittel der Nenndreh¬ zahl B die in der Brennkammer 43 zugefuhrte Wärmemenge in Leistung umzuset¬ zen. Dadurch kann die Antriebsleistung vom Generator 46 und damit auch die Temperatur in der Brennkammer 43 reduziert werden, was eine Reduktion der Menge des niederkalorischen Brennstoffes 11a beim Punkt D zur Folge hat. Bei Nenndrehzahl B ist dann das System Verdichter 40 und Turbine 41 im thermi¬ schen Gleichgewicht.
Nach dem Erreichen der Nenndrehzahl im Punkt B erfolgt die Synchronisation der Gasturbogruppe mit dem Netz, in das die im Generator 46 erzeugte elektrische Energie eingespeist werden soll Das Zuschalten des zweiten Teilbrennstoffstromes 11 b des niederkalorischen Brennstoffes über den äusseren Teilkanal 22 erfolgt vor oder nach der Synchroni¬ sation. Die Brennstoffmenge des ersten Teilbrennstoff Stromes 11a ist dabei so weit abzusenken, dass eine stabile Flamme erhalten bleibt. Dadurch wird die Dif¬ ferenz zwischen dem benötigten Brennstoff für den gewählten Lastpunkt und der Brennstoffmenge des ersten Teilbrennstoffstromes 11a maximal. Dem zweiten Teilbrennstoff ström 11b steht somit ebenfalls eine grösstmögliche Brennstoffmen¬ ge zur Verfügung, was zu einem stabilen Betrieb auch bei zugeschaltetem äusse¬ ren Brenner-Teilkanal 22 führt.
Zwischen Punkt B, der Null-Last, und Punkt C, maximaler Last, wird die Gesamt- Menge des niederkalorischen Brennstoffes 11a und 11 b im wesentlichen linear zur Last eingestellt.
Zur weiteren Stabilisierung der mit niederkalorischem Brennstoff 11a und 11b er¬ zeugten Flamme in der Brennkammer 43 kann zusätzlich Brennstoff 12 ins Zen¬ trum der Flamme eingedüst werden. Dies geschieht mittels flüssigem Brennstoff über die Brennstofflanze 2 oder mittels Pilotgas 10 über den Kanal 5 des Bren¬ ners. Die Menge des Brennstoffes 12 ist klein und liegt üblicherweise unterhalb fünf Prozent der zugeführten Brennstoffmenge.
In Fig. 4 und den weiteren Fig. 5, 6 und 7 ist der Brenner 1 in einer Brennkammer 43 angeordnet. Verbrennungsluft 9 wird in einen Dom 24 geleitet und von dort über in Strömungsrichtung verlaufende Luftkanäle 25 zum stromabwärtigen Ende des Brenners 1 geführt. Im Gegensatz zu Fig. 2 ist hier der Luftkanal nicht in ei¬ nen äusseren und einen inneren Bereich unterteilt. Der Brenner 1 ist jedoch auch hier mittels Trennwänden 28 in Strömungsrichtung abwechselnd in sich radial er¬ weiternde Luftkanäle 25 und Brennstoffkanäle 21', 22' unterteilt, wobei die Brennstoffkanäle wiederum durch die Trennwand 20 ringförmig unterteilt sind. Das niederkalorische Gas 11a und 11 b wird über ringförmige Kanäle 26 und 27, die den Brenner 1 umschliessen, um den Brenner herumgeführt und in den inne¬ ren Brennstoffkanal 21 ' und den äusseren Brennstoffkanal 22' über Oeffnungen 29, 30 eingespeist. Die Einspeisung des niederkalorischen Brennstoffes beim Starten und Betrieb des Brenners erfolgt dabei wie oben beschrieben. Obwohl hier die Verbrennungsluft nicht ringförmig unterteilt ist, vermischt sich das durch den inneren Teilkanal 21 zugeführte niederkalorische Gas 11a im wesentlichen nur mit der Verbrennungsluft im Zentrum des Brenners, entsprechend Fig. 2 Da¬ durch dass sich das niederkalorische Gas 11a nur mit einem Teil der Verbren¬ nungsluft 9 vermischt, entsteht zumindest im Zentrum des Brenners ein fetteres Gemisch und somit eine stabile Verbrennung. Es entsteht im Inneren des Brenn¬ raumes somit eine Flamme, die falls über den äusseren Brennstoffkanal 22' kein Brennstoff 11b zugeführt wird, mit Brennluft 9 umhüllt wird. Beim Brenner aus Fig 4 sind keine Drallkörper 7 angeordnet. Die Vermischung von Brennluft 9 und Brennstoff 11a, 11b erfolgt durch eine Krümmung der Trenn¬ wand 28 beim stromabwärtigen Ende des Brenners 1. Dadurch wird beim Austritt aus dem Brenner ein Drall erzeugt, der Brennstoff und Brennluft durchmischt.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Es können auch mehrere Trennwände einge¬ baut werden, um die Teilkanäle weiter zu unterteilen. Dadurch kann eine exakte Anpassung an die jeweiligen Verhältnisse erreicht werden
Bezugszeichenliste
1 Brenner
2 Brennstofflanze
3 inneres Rohr
4 ausseres Rohr
5 Kanal für Pilotgas
7 Drallkorper
8 Symmetrieachse
9,9a,9b Verbrennungsluft
10 Pilotgas
11a,11b niederkalorisches Gas
12 Brennstoff
20 Trennwand 1 innerer Teilkanal 1 ' innerer Brennstoffkanal 2 äusserer Teilkanal 2' äusserer Brennstoffkanal 3 Brennkammerwand
24 Dom
25 Luftkanal
26 Ringkanal für 11a
27 Ringkanal für 11 b
28 Trennwand
29 Oeffnung von 26 nach 21'
30 Oeffnung von 27 nach 22'
40 Verdichter
41 Gasturbine
42 Welle
43 Brennkammer
44 Luftzuführung
45 Zusatzbrennstoff
46 Generator
47 Abgasleitung
48 Brennstoffverdichter
A Drehzahl-Nullpunkt
B Nenndrehzahl / Last-Nullpunkt
C Voll-Last
D Scheitel-Punkt

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbogruppe mit niederkalorischem Brennstoff, wobei die Gasturbogruppe im wesentlichen aus einem Verdich¬ ter (40), einer Brennkammer (43), einer Turbine (41 ) und einem Generator (46) besteht und wobei der niederkalorische Brennstoff mittels eines Brennstoffverdichters (48) verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass beim Anfahren der Gasturbogruppe in einen Teil der Verbrennungs¬ luft (9, 9a) niederkalorischer Brennstoff (11a) überstöchiometrisch zuge¬ mischt wird, so dass eine stabile Flamme entsteht, dass spätestens nach Erreichen der Nenndrehzahl (B) und der Synchronisation die Menge des niederkalorischen Brennstoffes (11a) so weit abgesenkt wird, dass gerade noch ein überstöchiometrisches Verhältnis erreicht wird und dass in den restlichen Verbrennungsluftstrom (9, 9b) der restliche niederkalorische Brennstoff (11b) zur Erreichung der gewünschten Last zugemischt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ins Zentrum der Verbrennungsluft (9, 9a) Brennstoff (12) eingedüst wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsluft vor dem Eintritt in die Brennkammer in minde¬ stens zwei Teil luftströme (9a, 9b) aufgeteilt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilluftstrom (9a) vom zweiten Teilluftstrom (9b) umschlos¬ sen wird.
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