WO1998034067A1

WO1998034067A1 - Brenneranordnung und verfahren zur aktiven dämpfung einer verbrennungsschwingung

Info

Publication number: WO1998034067A1
Application number: PCT/DE1998/000305
Authority: WO
Inventors: Jörg SEUME; Nicolas Vortmeyer; Jakob Hermann; Dieter Vortmeyer; Carl-Christian Hantschk; Peter Zangl; Stephan Gleis
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 1997-02-04
Filing date: 1998-02-03
Publication date: 1998-08-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brenneranordnung (1), bei der eine aktive Dämpfung einer Verbrennungsschwingung in einer Brennkammer (2) in einfacher Weise durchführbar ist. Über einen Drucksensor (6) wird die Verbrennungsschwingung außerhalb der Brennkammer (2) bestimmt und daraus eine Regelung der Dämpfung der Verbrennungsschwingung abgeleitet. Damit ist der Drucksensor (6) nur gering thermisch belastet. Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Verfahren.

Description

Beschreibung

Brenneranordnung und Verfahren zur aktiven Dämpfung einer VerbrennungsSchwingung

Die Erfindung betrifft eine Brenneranordnung mit mindestens zwei Brennern in einer gemeinsamen Brennkammer sowie mit einer Modulationsvorrichtung zur Modulation der zuführbaren Brennstoffmenge und/oder der zuführbaren Verbrennungsluf - menge für mindestens einen der Brenner. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur aktiven Dämpfung einer Verbrennungsschwingung in einer Brennkammer.

In dem Artikel „Aktive Dämpfung selbsterregter Brennkammer- Schwingungen (AIC) bei Druckzerstäuberbrennern durch Modulation der flüssigen Brennstoffzufuhr" von J. Herrmann, D. Vort eyer und S. Gleiß, VDI-Berichte Nr. 1090, 1993, ist beschrieben, wie eine VerbrennungsSchwingung in einer Brennkammer entsteht und wie sie aktiv gedämpft werden kann. Bei Ver- brennungen in einer Brennkammer kann es nämlich zu einer selbsterregten VerbrennungsSchwingung kommen, die auch als Verbrennungsinstabilität bezeichnet wird. Eine solche Verbrennungsschwingung entsteht durch die Wechselwirkung zwischen einer schwankenden Leistungsfreisetzung bei der Ver- brennung und der Akustik der Brennkammer. Die Verbrennungsschwingung geht häufig einher mit einer hohen Lärmemissiσnen und einer mechanischen Belastung der Brennkammer, die bis zu einer Zerstörung von Bauteilen führen kann.

Die aktive Dämpfung der Verbrennungsschwingung wird dadurch erreicht, daß ein Stellglied (Piezoaktuator) die dem Brenner zugeführte Brennstoffmenge moduliert. Ein Mikrofon nimmt die akustischen Schwingungen in der Brennkammer auf. Aus dem Mikrofonsignal wird ein Regelsignal für die Regelung der Modu- lation der zugeführten Brennstoffmenge so abgeleitet, daß die Modulation der zugeführten Brennstoffmenge antizyklisch zur VerbrennungsSchwingung erfolgt. In der DE 43 39 094 AI ist ein Verfahren für eine aktive- Dämpfung einer VerbrennungsSchwingung beschrieben. Aufgabe dieser Druckschrift ist es, ein einfaches Verfahren zur Dämpfung von thermoakustischen Schwingungen unabhängig von der Art des verwendeten Brennstoffes anzugeben. Insbesondere soll ein entsprechendes Verfahren angegeben werden, welches auch für gasförmige Brennstoffe geeignet ist, da für gasförmige Brennstoffe kein geeignetes Stellglied (Modulationsvorrichtung) verfügbar ist. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein den Zündzeitpunkt der Verbrennung verzögerndes oder beschleunigendes Fluid, insbesondere Wasser, Wasserstoff oder CO, zusätzlich zum Brennstoff in die Brennkammer eingedüst und dabei geeignet moduliert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brenneranordnung mit mindestens zwei Brennern in einer gemeinsamen Brennkammer anzugeben, bei der eine aktive Dämpfung einer Verbrennungsschwin- gung möglich ist. Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur aktiven Dämpfung einer Verbrennungsschwingung in einer Brennkammer mit mindestens zwei Brennern anzugeben.

Erfindungsgemäß wird die auf die Brenneranordnung gerichtete Aufgabe gelöst durch eine Brenneranordnung mit mindestens zwei Brennern mit je einer BrennstoffZuführung und einer Ver- brennungsluftzuführung und mit einer gemeinsamen Brennkammer, sowie mit einer Modulationsvorrichtung zur Modulation der zuführbaren Brennstoff- und/oder Verbrennungsluftmenge für mindestens einen Brenner, wobei außerhalb der Brennkammer, in einem mit der Brennkammer strömungstechnisch verbundenen Meß- räum, ein Drucksensor vorgesehen ist, der mit der Modulati- onsvorrichtung verbunden ist.

Der Drucksensor kann z. B. an oder in einem Gehäuse der Brenneranordnung angeordnet sein. Damit wird erreicht, daß eine Druckmessung zur Bestimmung der akustischen Schwingungen in der Brennkammer, welche zur Modulation der Brennstoffmenge und/oder der Verbrennungsluftmenge eingesetzt wird, in einem im Vergleich zur Brennkammer erheblich kühleren Raum durchgeführt werden kann. Hohe Temperaturen in der Brennkammer er- fordern für eine dort durchgeführte Druckmessung aufwendig thermisch geschützte Drucksensoren. Dieses Problem wird durch die Erfindung umgangen. Versuche haben gezeigt, daß in einem außerhalb der Brennkammer liegenden, strömungstechnisch mit der Brennkammer verbundenen Meßraum Druckschwankungen so gut auf die Schwingungen in der Brennkammer schließen lassen, daß aus diesen ein Signal zur aktiven Schwingungsdämpfung ableitbar ist. Bei zwei oder mehr Brennern in einer gemeinsamen Brennkammer ist dies überraschend, denn zunächst wäre zu erwarten, daß die von den Brennern hervorgerufenen Druckschwan- kungen sich so überlagern und gegenseitig stören, daß zumindest aus einer Druckmessung in einem außerhalb der Brennkammer liegenden Raum nicht mehr auf die Verbrennungsschwingung zurückgeschlossen werden kann. Die Versuche zeigten demgegenüber aber, daß das über die Messung in einem außerhalb der Brennkammer liegenden Raum gewonnene Signal eines Drucksensors in ausreichendem Maße geeignet ist, eine Einrichtung zur Dämpfung der VerbrennungsSchwingung zu steuern. Mit der Bezeichnung Drucksensor ist jede zur Erfassung von Druckschwan- kungen geeignete Vorrichtung gemeint, insbesondere ein Mikro- fon. Brennstoff kann z.B. Öl oder Erdgas sein. Die Modulationsvorrichtung umfaßt unter anderem ein Stellglied, welches den Brennstoffmassenstrom oder den Verbrennungsluftmassen- strom modulieren kann. Ein solches Stellglied kann ein Piezo- aktuator sein, wie er im Prinzip in der oben genannten Druck- schrift beschrieben ist, es kann aber auch z.B. ein Ventil oder eine Membran sein.

Bevorzugt ist der Meßraum der Brennkammer benachbart. Insbesondere ist der Meßraum eine Vorkammer der Brennkammer. Damit ergibt sich eine gute Kopplung der Druckschwankungen im Meßraum an die akustischen Schwingungen in der Brennkammer. Weiter bevorzugt ist als Brennkammer eine Ringbrennkammer.

Bevorzugtermaßen sind die Brenner Hybridbrenner, jeweils umfassend einen Pilotbrenner und einen Vormischbrenner mit je- weils einer BrennstoffZuführung und einer Verbrennungsluftzuführung, wobei die Modulationsvorrichtung mit der Brennstoff- Zuführung des Pilotbrenners verbunden ist. Damit ergibt sich die Möglichkeit, die von einem Hybridbrenner ausgehende Verbrennungsschwingung durch die Modulation einer Vergleichs- weise geringen Brennstoffmenge zu dämpfen. Ein Hybridbrenner ist beschrieben in dem Artikel „Progress in N0_X and CO Emission Reduction of Gas Turbines", H. Maghon, P. Berenbrink, H. Termuehlen und G. Gärtner, ASME/IEEE Power Generation Conference, Boston, October 1990.

Weiterhin bevorzugt weist der Brenner eine Befestigungsvorrichtung auf, insbesondere einen Flansch, wobei diese Befestigungsvorrichtung an den Meßraum angrenzt, und wobei der Drucksensor an dieser Befestigungsvorrichtung angeordnet ist . Hierdurch ist der Drucksensor in einer einfachen Weise in die

Brenneranordnung integrierbar und ist auch im eingebauten Zustand leicht zugänglich.

Weiterhin bevorzugt weist die Modulationsvorrichtung ein Stellglied zur Ausführung der Modulation und einen Regler zur Regelung der Modulation auf. Das über den Drucksensor gewonnene Signal wird von dem Regler in ein Regelsignal umgewandelt und an das Stellglied gegeben, welches gemäß dem Regelsignal die Brennstoff- und/oder Verbrennungsluftmenge odu- liert.

Bevorzugtermaßen wird die Brenneranordnung in einer Gasturbine, insbesondere in einer stationären Gasturbine, eingesetzt .

Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur aktiven Dämpfung einer Ver- brennungsSchwingung in einer Brennkammer mit mindestens zwei Brennern, wobei die VerbrennungsSchwingung durch eine periodische, gegenüber der VerbrennungsSchwingung phasenverschobene, insbesondere antizyklische, Einstellung einer Stell- große, insbesondere der Menge des mindestens einem Brenner zugeführten Brennstoffes und/oder der mindestens einem Brenner zugeführten Verbrennungsluft gedämpft wird, wobei Druckschwankungen in einem mit der Brennkammer strömungstechnisch verbundenen Meßraum ermittelt werden und wobei die Stellgröße aus den Druckschwankungen abgeleitet wird.

Dieses Verfahren ermöglicht es, die akustischen Schwingungen einer Brennkammer mit zwei oder mehreren Brennern bei erheblich geringeren Temperaturen zu messen, als sie in der Brenn- kammer vorliegen.

Die Brenneranordnung und das Verfahren zur aktiven Unterdrük- kung von VerbrennungsSchwingungen werden anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

FIG 1 eine Brenneranordnung in einer schematischen Darstellung,

FIG 2 einen schematisierten Längsschnitt durch eine Gastur- bine.

In FIG 1 ist schematisch und nicht maßstäblich eine Brenneranordnung 1 dargestellt. Zwei Brenner 3, die jeweils als Hybridbrenner ausgeführt sind, münden in eine gemeinsame Brennkammer 2. Jeder Hybridbrenner 3 ist aufgebaut aus einem kegelstumpfförmigen Vormischbrenner 4 und einem auf der (nicht gezeichneten) Kegelstumpfachse angeordneten Pilotbrenner 4a, der vom Vormischbrenner 4 umgeben ist. Jeder Vormischbrenner 4 weist einen ringförmigen Luftkanal 11 und je- der Pilotbrenner 4a einen Luftkanal 12 auf. Jeder Vormischbrenner 4 ist mit einer BrennstoffZuleitung 5a und jeder Pilotbrenner 4a mit einer BrennstoffZuleitung 5b verbunden. Die BrennstoffZuleitungen 5a jedes Hybridbrenners 3 sind zusammengeführt und mit dem Ausgang einer Pumpe 9a verbunden. Die BrennstoffZuleitungen 5b der Pilotbrenner 4a sind mit je einem Stellglied 8c, z.B. einem Steuerventil, verbunden. Strom- aufwärts der Stellglieder 8c sind die BrennstoffZuleitungen 5b zusammengeführt und mit dem Ausgang einer Pumpe 9b verbunden. Jedes Stellglied 8c ist mit je einem Regler 8a über eine Signalleitung 8b verbunden. Die Stellglieder 8c, die Signalleitungen 8b und die Regler 8a bilden hier gemeinsam eine Mo- dulationsvorrichtung 8.

In jedem Luftkanal 11 der Vormischbrenner 4 ist je ein Drucksensor 6, insbesondere ein Mikrofon 6, angeordnet. Jeder Drucksensor 6 ist mit je einem der Regler 8a über eine Sen- sorleitung 7 verbunden.

Beim Betrieb der Brenneranordnung 1 gelangt Verbrennungsluft 10 in die Luftkanäle 11 der Vormischbrenner 4. Dort wird der Verbrennungsluft 10 über die BrennstoffZuleitung 5a Brenn- stoff 10a beigemischt. Brennstoff 10a kann z. B. Öl oder Erdgas sein. Bei einem Betrieb mit Erdgas können in der Regel die Pumpen 9a, 9b entfallen, da das Erdgas von einem ausreichend hohen Druckniveau entnommen werden kann. Verbrennungs- luft 10 gelangt auch in die Luftkanäle 12 der Pilotbrenner 4a. In der Brennkammer 2 wird über die Pilotbrenner 4a, die als Diffusionsbrenner arbeiten, je eine Pilotflamme 13 erzeugt . An einer solchen Pilotflamme 13 entzündet sich das aus dem Luftkanal 11 des Vormischbrenners 4 austretende Brennstoff/Verbrennungsluft-Gemisch.

Durch Wechselwirkung mit der Akustik der Brennkammer (2) kann eine VerbrennungsSchwingung auftreten. Eine solche Verbrennungsschwingung geht einher mit einer akustischen Schwingung in der Brennkammer 2. Diese akustische Schwingung führt auch zu Druckschwankungen in den Luftkanälen 11 der Vormischbrenner 4. In diesen Luftkanälen 11 ist die Temperatur wesentlich niedriger, als in der Brennkammer 2. Dies ermöglicht dort eine apparativ erheblich weniger aufwendige Druckmessung über die Drucksensoren 6. Die Drucksensoren 6 wandeln die Druc - schwankungen in den Luftkanälen 11 jeweils in ein elektrisches Sensorsignal um, das auf die Regler 8a gegeben wird. Die Regler 8a wandeln die Sensorsignale in Regelsignale um, die die Stellglieder 8c so ansteuern, daß die dem zugeordneten Pilotbrenner 4a zugeführte Menge an Brennstoff 10a beim Eintritt in die Pilotflamme 13 antizyklisch zur Verbrennungs- Schwingung moduliert ist. Dadurch wird die Verbrennungs- Schwingung gedämpft.

Das Stellglied 8c kann ein Piezoaktuator sein, es kann aber auch z.B. ein Ventil oder eine Membran sein.

FIG 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine Gasturbine 28. Ein Verdichter 26 ist strömungstechnisch verbunden mit einer Turbine 27. Verdichter 26 und Turbine 27 sind nur schematisch gezeigt. Zwischen Verdichter 26 und Turbine 27 ist eine Brenneranordnung 1 angeordnet. Die Gasturbine 28 ist ungefähr ro- tationssyτnmetrisch um eine Achse 25 ausgeführt. Die Brenneranordnung 1 besitzt eine Vorkammer 24, die mit dem Verdichter 26 verbunden ist. Die Vorkammer 24 umschließt teilweise eine torusförmige Ringbrennkammer 2, deren Rotationsachse mit der Rotationsachse 25 zusammenfällt. Die Ring- brennkammer 2 ist ausgangsseitig mit der Turbine 27 verbunden. In die Ringbrennkammer 2 mündet ein Brenner 3. Der Brenner 3 ist über einen Flansch 22 an die Wand 23 der Vorkammer 24 angeflanscht. Der Brenner 3 weist eine BrennstoffZuleitung 5a auf, in die ein Stellglied 8c eingebaut ist. Über eine Si- gnalleitung 8b ist das Stellglied 8c mit einem Regler 8a verbunden. Der Regler 8a ist wiederum mit einem Drucksensor 6 über eine Leitung 7 verbunden. Der Drucksensor 6 ist im Flansch 22 des Brenners 3 angeordnet.

Beim Betrieb der Gasturbine 28 gelangt verdichtete Verbrennungsluft 10 über die Vorkammer 24 in die Ringbrennkammer 2, wo sie mit dem dem Brenner 3 zugeführten Brennstoff 10a ver- brannt wird. Das entstehende Abgas 10b wird der Turbine 27 zugeführt und dort entspannt. Eine in der Ringbrennkammer 2 auftretende VerbrennungsSchwingung führt zu einer akustischen Schwingung, die ihrerseits Druckschwankungen in der Vorkammer 24 zur Folge hat. Diese werden über den Drucksensor 6 gemessen und mit Hilfe des Reglers 8a in ein Regelsignal für das Stellglied 8c, das die BrennstoffZuführung für den Brenner 3 regelt, umgesetzt. Dabei wird die Brennstoffzufuhr antizyklisch zur VerbrennungsSchwingung geregelt. Auf diese Weise wird die VerbrennungsSchwingung gedämpft. Dabei ist der

Drucksensor 6 in einem thermisch gering belasteten Bereich angeordnet und kann dementsprechend einfach und kostengünstig ausgeführt werden. Weiterhin ist der Drucksensor 6 leicht zugänglich und kann auch einfach in schon bestehende Anlagen nachgerüstet werden.

Claims

Patentansprüche

1. Brenneranordnung (1) mit mindestens zwei Brennern (3) mit je einer BrennstoffZuführung (5a, 5b) und je einer Verbren- nungsluftZuführung (11, 12) und mit einer gemeinsamen Brenn- kammer(2), sowie mit einer Modulationsvorrichtung (8) zur Modulation der zuführbaren Brennstoff- und/oder Verbrennungs- luftmenge für mindestens der einen Brenner (3) , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß außerhalb der Brennkammer (2) , in einem mit der Brennkammer (2) strömungs- technisch verbundenen Meßraum (24) , ein Drucksensor (6) vorgesehen ist, der mit der Modulationsvorrichtung (8) verbunden ist .

2. Brenneranordnung (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Meßraum (24) , insbesondere eine Vorkammer (24) der Brennkammer (2) , der Brennkammmer (2) benachbart ist.

3. Brenneranordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Brennkammer (2) eine Ringbrennkammer (2) ist.

4. Brenneranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, wobei die Brenner (3) Hybridbrenner (3) sind, umfassend einen Pilotbrenner (4a) und einen Vormischbrenner (4) mit jeweils einer BrennstoffZuführung (5a, 5b) und einer VerbrennungsluftZuführung (11, 12) , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Modulati- onsvorrichtung (8) mit der BrennstoffZuführung (5a, 5b) des

Pilotbrenners (4a) verbunden ist.

5. Brenneranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein Brenner (3) eine Befestigungsvorrichtung (22) , insbesondere einen Flansch (22) , aufweist, wobei diese Befestigungsvorrichtung (22) an den Meßraum (24) angrenzt und daß der Druck- sensor (6) an dieser Befestigungsvorrichtung (22) angeordnet ist .

6. Brenneranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Modulationsvorrichtung (8) ein Stellglied (8c) zur Ausführung der Modulation und einen Regler (8a) zur Regelung der Modulation umfasst .

7. Verwendung einer Brenneranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer Gasturbine (28) , insbesondere einer stationären Gasturbine (28) .

8. Verfahren zur aktiven Dämpfung einer Verbrennungs-Schwingung in einer Brennkammer (2) mit mindestens zwei Brennern (3) , wobei die VerbrennungsSchwingung durch eine periodische, gegenüber der VerbrennungsSchwingung phasenverschobene, insbesondere antizyklische, Einstellung einer Stellgröße, insbe- sondere der Menge des mindestens einem der Brenner (3) zugeführten Brennstoffes (10a) und/oder der mindestens einem der Brenner (3) zugeführten Verbrennungsluft (10) gedämpft wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß Druckschwankungen in einem mit der Brennkammer (2) strömungstechnisch verbundenen Meßraum (24) ermittelt werden, wobei die Stellgröße aus den Druckschwankungen abgeleitet wird.