WO2000012936A1

WO2000012936A1 - Brenneranordnung mit primärem und sekundärem pilotbrenner

Info

Publication number: WO2000012936A1
Application number: PCT/DE1999/002520
Authority: WO
Inventors: Peter Berenbrink
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 1998-08-27
Filing date: 1999-08-12
Publication date: 2000-03-09
Also published as: US20010024774A1; DE19839085A1; US6632084B2; EP1110034A1; DE19839085C2; JP2002523721A; DE59905222D1; EP1110034B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brenneranordnung für eine Feuerungsanlage, insbesondere eine Gasturbinenbrennkammer, mit einem Hauptbrenner (1) und einem zentral darin angeordneten primären Pilotbrenner (15), der zum Zünden und/oder zum Stabilisieren der Verbrennung des Hauptbrenners dient. Zur zusätzlichen Stabilisierung, zur Reduzierung von Brummgeräuschen in einer Feuerrungsanlage und zur Vermeidung des dabei manchmal möglichen Rückschlagens der Flamme in einen Teilbereich des Brenners sind im Auslaßbereich des Hauptbrenners (1) eine Mehrzahl von Anslaßöffnungen (10) angeordnet, die zusammen einen sekundären Pilotbrenner bilden. Die Flammen des sekundären Pilotbrenners umgeben die Hauptflamme wie ein Kranz und stabilisieren zusätzlich den Betrieb bei unterschiedlichen Lastzuständen. Insbesondere werden über den sekundären Pilotbrenner 0 bis 10 % der bei Grundlast von der Brenneranordnung benötigten Brennstoffmenge zugeführt, wobei der zentrale primäre Pilotbrenner (15) entsprechend mit weniger Brennstoff versorgt werden kann.

Description

Beschreibung

Brenneranordnung mit primärem und sekundärem Pilotbrenner

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brenneranordnung f r eine Feuerungsanlage, insbesondere eine Gasturbmenbrennkam- er mit einem Hauptbrenner und einem zentral darin angeordneten primären Pilotbrenner, der zum Zünden und/oder zum Stabilisieren der Verbrennung des Hauptbrenners dient. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Brenneranordnung.

Brenneranordnungen der gattungsgemaßen Art sind oft für verschiedene Brennstoffe und verschiedene Betriebsweisen ausge- legt, wobei es im Hinblick auf weltweit immer strengere Bestimmungen zum Ausstoß von Schadstoffen große Anstrengungen gibt, die Anordnungen und Betriebsweisen so zu verbessern, daß der Schadstoffausstoß verringert wird.

Besonders umweltfreundliche Brenner mit einem geringen Ausstoß an NOx sind aus der EP 0 108 361 Bl und der EP 0 193 838 Bl bekannt. Da es bei der vorliegenden Erfindung um e ne Weiterbildung gerade auch solcher Brenner geht, wird auf den Inhalt dieser beiden Schriften vollinhaltlich Bezug genommen.

Die DE 196 10 930 AI offenbart einen Brenner für einen Warme- erzeuger. Bei einem Brenner, der im wesentlichen aus einem Drallerzeuger für einen Verbrennungsluftstrom und aus Mitteln zur Emdusung eines Brennstoffs m den Verbrennungsluftstrom besteht, ist stromab des erwähnten Drallerzeugers eine Mischstrecke angeordnet. Diese Mischstrecke weist innerhalb einer ersten Teilstrecke eine Anzahl von in Stromungsrichtung verlaufenden Ubergangskanalen, welche die nahtlose Überführung der im Drallerzeuger gebildeten Strömung in ein nachgeschal- tetes Mischrohr sicherstellen. Die Austrittsebene dieses

Mischrohrs zur Brennkammer ist mit einer Abschlußkante ausgebildet, welche der Stabilisierung und Vergrößerung einer sich im Strom abbildenden Ruckstromzone dient. Konzentrisch zur Mischstrecke ist eine Anzahl Mischelemente vorgesehen, welche der Bildung eines Gemischs aus Verbrennungsluft und einem Brennstoff dienen. Dieses Gemisch aus dem jeweiligen Misch- element bildet dann jeweils eine Pilotstufe der Brennkammer.

Obwohl bei den bekannten Brenneranordnungen durch konstruktive Maßnahmen und die Betriebsweise kritische Zustande der Brenner weitestgehend vermieden werden können, so gibt es doch d e Möglichkeit, insbesondere wenn die Brenneranordnung im Vormischbetπeb betrieben wird, d.h. wenn Brennstoff und Luft schon vor der Verbrennungszone intensiv miteinander gemischt werden, daß die Verbrennung in einer Feuerungsanlage Fluktuationen aufweist und manchmal instabil wird, was sich beispielsweise durch ein Brummen der Feuerungsanlage äußern kann. Dabei kann gelegentlich auch d e Flamme m einen Teilbereich eines der Brenner zurückschlagen, was wegen dadurch verursachter Temperaturerhöhungen an Brennerbauteilen und wegen eines dabei auftretenden erhöhten Schadstoffausstoßes unerwünscht ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei den bekannten Brenneranordnungen eine stärkere Stabilisierung der Verbrennung zu schaffen und dadurch ein Brummen der Feuerungsanlage durch instabile Verbrennung und das Zurückschlagen der Flamme m Teilbereiche eines Brenners zu vermeiden.

Zur Losung dieser Aufgabe dient eine Brenneranordnung gemäß dem Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Bren- neranordnung gemäß dem Anspruch 11.

Bevorzugte und besonders vorteilhafte Ausfuhrungsformen sind m den abhangigen Ansprüchen angegeben.

Eine solche Brenneranordnung für eine Feuerungsanlage, insbesondere eine Gasturbinenbrennkammer, weist einen Hauptbrenner und einen zentral darin angeordneten primären Pilotbrenner auf, der zum Zünden und/oder zum Stabilsieren der Verbrennung des Hauptbrenners dient. Einzelheiten über solche Brenner, die wegen der unterschiedlichen Möglichkeiten der Betriebsweise und Brennstoffversorgung auch Hybridbrenner genannt werden, sind zum Beispiel in der EP 0 108 361 Bl und der

EP 0 193 838 Bl beschrieben. Erfindungsgemäß wird eine solche Brenneranordnung nunmehr zusätzlich mit einem sekundären Pilotbrenner ausgestattet, wobei dieser im Auslaßbereich des Hauptbrenners eine Mehrzahl von Auslaßöffnugen aufweist. Durch aus diesen Auslaßöffnungen austretenden Brennstoff beziehungsweise ein Gemisch aus Luft und Brennstoff bildet sich ein Flammenkranz, der die aus dem Hauptbrenner austretende Flamme etwa ringförmig umgibt und diese dadurch zusätzlich stabilisiert. Während der primäre Pilotbrenner zentral quasi von innen heraus die Verbrennung stützt, kann der sekundäre

Pilotbrenner zur Stabilisierung von außen beitragen, ohne das Prinzip der Verbrennung mit Rezirkulation, wie es die Brenner nach dem Stand der Technik haben, negativ zu beeinflussen. Das zur stabilen Verbrennung in der Flamme des Brenners wich- tige äußere Rezikulationsgebiet wird durch den sekundären Pilotbrenner sogar verstärkt.

Besonders bevorzugt ist der sekundäre Pilotbrenner durch einen im Auslaßbereich des Hauptbrenners umlaufenden Ringkanal ausgebildet, der mit einer BrennstoffZuleitung verbunden ist und mit den Auslaßöffnungen in Verbindung steht. Der umlaufende Ringkanal umgibt den Auslaßbereich des Hauptbrenners quasi wie ein Kragen, in welchem die Auslaßöffnungen angeordnet sind, vorzugsweise nach innen in Richtung auf das Zentrum des Auslaßbereiches gerichtet.

Um weder in der Anzahl, noch in der Querschnittsfläche der Auslaßöffnungen begrenzt zu sein, wird in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der umlaufende Ringkanal in ei- nen unteren Ringkanal und einen oberen Ringkanal unterteilt, welche über eine Drosselstelle miteinander verbunden sind, wobei der obere Ringkanal mit der BrennstoffZuleitung verbun- den ist und der untere Ringkanal mit den Auslaßoffnungen in Verbindung steht. Auf diese Weise wird die Brennstoffmenge des sekundären Pilotbrenners durch die Drosselstelle bestimmt und nicht durch den Querschnitt der Auslaßoffnungen und deren Anzahl. Dadurch wirkt der untere Ringkanal wie eine Resonanzkammer, so daß die an den Auslaßoffnungen ausströmende Brennstoffmenge vom Außendruck beeinflußt wird, was bei geeigneter Auslegung und Dimensionierung dieses unteren Ringkanals bei Druckschwingungen, also beispielsweise beim Brummen der Bren- neranordnung, stark dampfend wirkt.

Die Auslaßoffnungen können erfindungsgemaß bevorzugt mit etwa gleichen Abstanden ringförmig im Auslaßbereich des Hauptbrenners angeordnet sein. Diese Anordnung ist symmetrisch nach allen Seiten und fuhrt zu einer allseitigen gleichmaßigen Stabilisierung.

Alternativ ist es auch möglich, die Auslaßoffnungen mit unterschiedlichen Abstanden ringförmig im Auslaßbereich des Hauptbrenners anzuordnen, was insbesondere bei Brennkammeranordnungen mit mehreren Brennern sinnvoll ist, um Haufungen von Aulaßoffnungen in Bereichen, in denen sich zwei Brenner sehr nahe kommen, zu vermeiden. Außerdem neigt eine ungleich- maßige Verteilung der Auslaßoffnungen weniger zum Schwingen und damit zu Instabilitäten als eine gleichmaßige, weil sich bei Druckstoßen durch unterschiedliche Abstände auch unterschiedliche Laufzeiten der Druckwellen zu oder von den einzelnen Auslaßdusen ergeben, was zumindest teilweise zu einer gegenseitigen Ausloschung solcher Druckwellen fuhrt und damit Instabilitäten dampft.

Auch bezuglich der Form der Auslaßoffnungen besteht ein breiter Spielraum. Insbesondere bevorzugt werden erfindungsgemaß runde oder ovale Auslaßoffnungen, die besonders einfach her- stellbar sind. Je nach Brenngeometrie können die Auslaßöffnungen jedoch auch eine polygonale Berandung haben, insbesondere die Form eines Dreiecks mit in Gasströmungsrichtung zeigender Spitze.

Die Brenneranordnung mit dem sekundären Pilotbrenner ist erfindungsgemäß so ausgelegt, daß zwischen 0 und 10 % der bei Grundlast von der Brenneranordnung benötigten Brennstoffmenge den Auslaßöffnungen zuführbar sind, insbesondere in Form von Brenngas. Je nach Betriebsweise der Brenneranordnungen kann es sinnvoll sein, den zentralen primären Pilotbrenner, der erfindungsgemäß nunmehr durch den sekundärem Pilotbrenner unterstützt wird, in seiner Brennstoffzufuhr entsprechend zu drosseln, um insgesamt den Anteil an Brennstoff, der durch die Pilotbrenner zugeführt wird, nicht übermäßig zu erhöhen.

Bei den Brenneranordnungen nach dem Stand der Technik ist es bekannt, daß der Hauptbrenner und der primäre Pilotbrenner im Vormischbetrieb, im Diffusionsbetrieb oder in einem Mischbetrieb aus beiden Betriebsarten betreibbar sind, wobei der Hauptbrenner und der primäre Pilotbrenner auch für wahlweisen Betrieb mit flüssigen und gasförmigen Brennstoffen ausgelegt sein können. Alle diese Betriebsweisen sind auch bei einer Brenneranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung möglich. Zusätzlich ist es auch möglich, den sekundären Pilotbrenner mit einem vorgemischten Gemisch aus Brennstoff und Luft als Vormischbrenner zu betreiben, was insbesondere zur Reduzierung der Erzeugung von Stickoxyden beiträgt.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Betrieb einer Brenneranordnung, insbesondere zur Vermeidung von Instabilitäten in der Feuerungskammer, des damit verbundenen Brummens und des möglichen Rückschiagens der Flamme in Teilbereiche eines Brenners, wobei die Brenneranordnung einen von einem primären Pilotbrenner stabilisierten Hauptbrenner auf- weist und erfindungsgemäß die Flamme des Hauptbrenners durch einen sekundären Pilotbrenner zusätzlich stabilisiert wird, wobei der sekundäre Pilotbrenner mehrere um den Auslaßbereich des Hauptbrenners herum verteilte Auslaßoffnungen aufweist, die separat gesteuert oder geregelt mit Brennstoff oder Brennstoffgemisch versorgt werden. Dieses erfindungsgemäße Verfahren ergibt einen weiteren Parameter zur besonders si- cheren und umweltfreundlichen Steuerung einer Brenneranordnung. Die Stabilisierung der Flamme des Hauptbrenners durch einen äußeren sekundären Pilotbrenner verhindert instabile Betriebszustanden wie das Brummen in der Feuerungsanlage und damit auch das Zurückschlagen der Flamme in Teilbereiche ei- nes Brenners.

Ein bevorzugtes Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung, auf welches diese jedoch nicht beschrankt ist, ist teilweise schematisch im Querschnitt in der Zeichnung dargestellt.

Die Zeichnung zeigt den unteren Teil einer Brenneranordnung, wie sie zum Beispiel in der EP 0 193 838 Bl ausführlich beschrieben ist. Die aus dieser Schrift bekannten Komponenten sind daher nur schematisch dargestellt und teilweise auch weggelassen.

Beim Lastbetrieb einer solchen Brenneranordnung wird ein Hauptbrenner 1 mit Hauptverbrennungsluft 2 versorgt in welche feinverteilt in einer Hauptbrenngaseindusung 3 Brenngas und/oder in einer Hauptbrennoleindusung 4 Brennöl eingedust wird. Dies erfolgt im Bereich eines Hauptdrallerzeugers 5, insbesondere in Form eines Diagonalgitters. Auf diese Weise wird der Brennstoff mit der Hauptverbrennungsluft vorgemischt, so daß sich eine Schadstoffarme Verbrennung erreichen läßt. Im Zentrum des Hauptbrenners 1 befindet sich in an sich bekannter Weise ein Pilotbrenner 15 zum Zünden und/oder zur Stabilisierung der Hauptflamme, dessen Verbrennungsluft durch einen Luftkanal 6 zugeführt wird. Für den Betrieb dieses Pilotbrenners als Diffusionsbrenner gibt es einen zentralen Brennstoffkanal 7. Um den Pilotbrenner 15 auch als Vormisch- brenner betreiben zu können, gibt es zusatzlich einen äußeren Brennstoffkanal 8. Grundsatzlich kann diese bekannte Brenner- anordnung in sehr verschiedenen Betriebsweisen betrieben werden unter Verwendung verschiedener Brennstoffe, weshalb solche Brenner auch als Hybridbrenner bezeichnet werden.

Erfindungsgemaß befindet sich am unteren äußeren Rand des

Hauptbrenners 1 ein Ringkanal 9, welcher mit Auslaßoffnungen 10 in Verbindung steht, welche im Auslaßbereich des Hauptbrenners 1 ringförmig angeordnet sind. Die Abstände dieser Auslaßoffnungen können je nach Bedarf gleichmaßig oder un- gleichmaßig sein. Auch die Formen und Querschnittsflachen dieser Auslaßoffnungen 10 sind je nach Bedarf in weiten Grenzen variierbar, wobei gleichmaßig verteilte runde Auslaßoff- nungen 10 bevorzugt werden. Im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel weist die Brennstoffversorgung der Auslaßoffnungen 10 einen unteren Ringkanal 9 auf, der über eine Drosselstelle mit einem oberen Ringkanal 11 in Verbindung steht, welcher wiederum über eine BrennstoffZuleitung 13 und ein Ventil 14 mit Brennstoff, vorzugsweise Brenngas, versorgt wird. Bei dieser Ausfuhrungsform ist der Druck in dem oberen Ringkanal 11 etwa konstant, da der Hauptdruckverlust an der Drosselstelle 12 auftritt. Der untere Ringkanal 9 kann äußere Druckschwingungen in der Flamme des Hauptbrenners teilweise ausgleichen und wirkt so als eine Art Resonanzkämmer. Ist der Druck in der Flamme hoch, so strömt kurzzeitig nur wenig Brennstoff durch die Auslaßoffnungen 10 des sekundären Pilotbrenners, bei wieder abfallendem Außendruck strömt mehr Brenngas nach. Dieses Verhalten dampft Außenschwingungen und vermindert damit das Brummen, welches bei Instabilitäten der Flammen in einer Feuerungsanlage auftreten kann.

Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders zur zusatzlichen Stabilisierung von Brenneranordnungen in Gasturbinenkammern und vermeidet das Zurückschlagen der Flamme in einer Brenneranordnung oder vermindert zumindest das sich daraus ergebende Brummen.

Claims

Patentansprüche

1. Brenneranordnung für eine Feuerungsanlage, insbesondere eine Gasturbinenbrennkammer, mit einem Hauptbrenner (1) und einem zentral darin angeordneten primären Pilotbrenner (15), der zum Zünden und/oder zum Stabilisieren der Verbrennung des Hauptbrenners dient, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß im Auslaßbereich des Hauptbrenners (1) ein sekundärer Pilotbrenner mit einer Mehrzahl von Auslaßöffnungen (10) angeordnet ist.

2. Brenneranordnung 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 im Auslaßbereich des Hauptbrenners (1) ein umlaufender Ringkanal (9, 11) angeordnet ist, der mit einer BrennstoffZuleitung

(13) verbunden ist und mit den Auslaßöffnungen (10) in Verbindung steht.

3. Brenneranordnung 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 der umlaufende Ringkanal einen unteren Ringkanal (9) und einen oberen Ringkanal (11) aufweist, welche über eine Drosselstelle (12) miteinander verbunden sind, wobei der obere Ringkanal (11) mit der BrennstoffZuleitung (13) verbunden ist und der untere Ringkanal (9) mit den Auslaßöffnungen (10) in Verbindung steht.

4. Brenneranordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Aus- läßöffnungen (10) mit etwa gleichen Abständen ringförmig im Auslaßbereich des Hauptbrenners (1) angeordnet sind.

5. Brenneranordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Aus- laßöffnungen (10) mit unterschiedlichen Abständen ringförmig im Auslaßbereich des Hauptbrenners (1) angeordnet sind.

6. Brenneranordnung 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 Auslaßöffnungen (10) rund oder oval sind.

7. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Auslaßöffnungen (10) eine polygonale Berandung haben, insbesondere in Form eines Dreiecks mit in Gasströmungsrichtung zeigender Spitze.

8. Brenneranordnung 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 BrennstoffZuleitung (13), umlaufender Ringkanal (9, 11) und Auslaßöffnungen (10) so ausgelegt sind, daß zwischen 0 und 10 % der bei Grundlast von der Brenneranordnung benötigten Brennstoffmenge den Auslaßöffnungen (10) zuführbar sind, insbesondere in Form von Brenngas .

9. Brenneranordnung 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 der

Hauptbrenner (1) und der primäre Pilotbrenner (15) im Vor- mischbetrieb, im Diffusionsbetrieb oder in einem Mischbetrieb aus beiden Betriebsarten betreibbar sind, wobei der Hauptbrenner (1) und der primäre Pilotbrenner (15) auch für wahl- weisen Betrieb mit flüssigen und gasförmigen Brennstoffen ausgelegt sein können.

10. Brenneranordnung 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 der se- kundäre Pilotbrenner mit einem vorgemischten Gemisch aus Brennstoff und Luft als Vormischbrenner betreibbar ist.

11. Verfahren zum Betrieb einer Brenneranordnung, insbesondere zur Vermeidung des Rückschiagens einer Flamme und des damit verbundenen Brummens der Brenneranordnung, wobei die Brenneranordnung einen von einem primären Pilotbrenner (15) stabilisierten Hauptbrenner (1) aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Flamme des Hauptbrenners (1) durch einen sekundären Pilotbrenner zusätzlich stabilisiert wird, wobei der sekundäre Pilotbrenner mehrere um den Auslaßbereich des Hauptbrenners (1) herum verteilte Auslaßöffnungen (10) aufweist, die separat gesteuert oder geregelt mit Brennstoff oder Brennstoffgemisch versorgt werden.