WO2004109188A1 - Verfahren zum betrieb einer ringförmigen brenneranordnung in einer zwischenerhitzungsstufe einer mehrstufigen verbrennungseinrichtung einer gasturbine - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer ringförmigen brenneranordnung in einer zwischenerhitzungsstufe einer mehrstufigen verbrennungseinrichtung einer gasturbine Download PDF

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burner
unstable
annular
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Peter Flohr
Alexander Ni
Christian Oliver Paschereit
Rajeshriben Patel
Majed Toqan
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    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/42—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the arrangement or form of the flame tubes or combustion chambers
    • F23R3/50—Combustion chambers comprising an annular flame tube within an annular casing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23R2900/00—Special features of, or arrangements for continuous combustion chambers; Combustion processes therefor
    • F23R2900/00013—Reducing thermo-acoustic vibrations by active means
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    • F23R2900/00014—Reducing thermo-acoustic vibrations by passive means, e.g. by Helmholtz resonators

Definitions

  • the present invention relates to the field of burner assemblies for gas turbines. It relates to a method for operating an annular Bre ⁇ ner arrangement according to the preamble of claim 1.
  • a second combustion zone is created by injecting fuel into a high speed flow of contaminated air exiting a first turbine stage.
  • Such high-speed flows into a flue gas Combustion chambers are often susceptible to high-frequency instabilities that can generate high-amplitude pulsations.
  • the suppression of such pressure pulsations is crucial for maintaining the quality of the combustion process and for avoiding deterioration of the burner structure. It has also been found that the excitation of such high-frequency instabilities is sensitive to slight changes in the operating point (such as changes in mass flow or temperature), so that the type of combustion can quickly change from stable to unstable during operation of the machine.
  • DE-A1-199 39235 describes a method for operating a combustion device of a gas turbine, in which a plurality of burners of the same thermal power working in a common combustion chamber are designed so differently to suppress thermo-acoustic combustion instabilities that those of the flames or flame fronts generated by them are positioned distributed along the common axis.
  • the disadvantage here is the different design of the burners, which leads to increased production and maintenance costs.
  • the present invention shows another way of suppressing high-frequency vibrations in the combustion zone of intermediate superheating systems. It is based on an annular burner arrangement with a plurality of similar ones arranged in a ring
  • a changed operating mode means that at least some of the individual burners are operated in a stable operating range. This detunes the entire system in such a way that high-frequency instabilities can no longer occur.
  • a first preferred embodiment of the method according to the invention is characterized in that the heat release in the selected burners is changed compared to the other burners, that the changed heat release in the selected burners is achieved by a change in the fuel supply, and in that for the change a controllable valve or a restriction in the fuel supply is used for the fuel supply.
  • a second preferred embodiment is characterized in that the inlet temperature in the selected burners is changed compared to the other burners, and in that the changed inlet temperature in the selected ones
  • Burners is achieved by a targeted change in the fuel supply in the burner arrangement of the first stage of the combustion device.
  • the burner arrangement can be operated in an operating range with the addition of water, and the changed inlet temperature in the selected burners can be achieved by deliberately changing the water supply.
  • Another preferred embodiment is characterized in that the burners operating in the unstable region are operated in a suitably distributed manner via the annular burner arrangement.
  • FIG. 1 shows an exemplary (schematic) annular burner arrangement with n burners in a reduced coordinate system (x-circumferential coordinate; z-axial coordinate) for the implementation of the invention
  • combustion instabilities can have various causes, e.g. a feedback mechanism between shear layer instabilities and fluctuations in heat release, or a feedback mechanism between local heat release and fluctuations in the equivalence ratio, due to a fluctuating air column within the burner element.
  • a feedback mechanism between shear layer instabilities and fluctuations in heat release or a feedback mechanism between local heat release and fluctuations in the equivalence ratio, due to a fluctuating air column within the burner element.
  • most of these effects can be described by a characteristic time delay, which is essentially based on a convective time scale between the location of the fuel injection (or: the origin of the shear layer instability) and the local position of the flame front. As a result, these mechanisms are sensitive to the central flame location.
  • the frequencies observed in a sequential combustion and high speed flow system are typically in the 1-10 kHz range.
  • L is a characteristic burner length
  • U is a characteristic burner speed
  • Mechanism of sound generation i.e. changes from stable to unstable states.
  • the model assumes that there are, in particular, two parameters or methods for introducing inhomogeneities into the reheat burner arrangement with only minor structural changes to the burners, with their Help you can avoid the occurrence of high frequency vibrations, namely
  • the conventional linear stability approach forms the basis of the investigation. According to this approach, the flow equations are linearized and the development of flow disturbances is checked. The flow disturbances (pressure, speed, etc.) are assumed to have an exponential time dependency
  • FIG. 1 shows a schematic development of an annular burner arrangement 10 with n burners B1, .., Bi, .., Bn, which work in a common combustion chamber 11 with a combustion chamber outlet 12.
  • the coordinate z denotes the circumferential direction and x the axial extent in the flow direction.
  • the flow pattern is periodic with the period L (x), which is determined by the shape of the burner arrangement 10.
  • the flames F1, .., Fi, .., Fn emanating from the burners B1, .., Bi, .., Bn are also shown in FIG. 1.
  • the distance between the outlet of the i-th burner Bi and the associated flame Fi is designated as X f .
  • the burner model described in a previous article (A. Ni, W. Polifke and F. Joos, Ignition delay time as a contribution to thermo-acoustic instability in sequential combustion, ASME Turbo Expo 2000, Paper 2000-GT-0103 ( 2000)) has been proposed, determines the acoustic behavior of the individual burner in the stability analysis.
  • the input variables of the model are: geometry of the burner, pressure drop in the fuel supply line, fuel mass flow, average hydrodynamic and thermodynamic parameters (speed, pressure, density, temperature) of the flow in the burner, location of the flame front and Fuel mixing length.
  • the mechanism of pulsation excitation used is that given by Rayleigh (JWS Rayleigh, The theory of sound, 1945, New York Dover Publications).
  • FIG. 2 shows the behavior of the pulsation
  • FIG. 3 shows the dependence of the growth rate GR at this Strouhal number on the position of the flame front (X f / L).
  • X f / L 0.53
  • the influence of the burners, which have been throttled to stability, has also been investigated in calculations.
  • the throttling has been simulated by reducing the fuel supply to the respective burner.
  • the third column of the table contains the numbers of the burners that have been throttled by 50%.
  • the fourth column shows the calculated growth rate for the respective burner configuration.
  • the stability depends on the number of unstable burners. The more unstable burners there are, the greater the growth rate. 2. The stability depends on the mutual positioning of the unstable burners. Comparing the data in rows 5 and 7, it can be concluded that there are 4 unstable burners in both cases; however, the second case is more stable (the growth rate is smaller). There are three unstable burners in rows 3 and 4; however, they are both more stable than the case in row 7.
  • the stability is also strongly determined by the number and position of the throttled burners.
  • the stability of the overall system depends on the number of unstable burners. The more burners are unstable, the greater the growth rate.
  • the stability of the burner assembly depends on the relative position of the unstable burner within the system. A coherent group of unstable burners makes the entire system unstable. Statistically distributed unstable burners do not necessarily lead to an unstable combustion system.
  • At least a selected part of the burners B1, .., Bi, .., Bn are operated in a stable operating range in a predetermined unstable operating range of the burner arrangement 10.
  • this can be done by changing the heat release in the selected burners compared to the other burners, in particular the changed heat release being achieved in the selected burners by changing the fuel supply.
  • a controllable valve or a restriction in the fuel supply is preferably used to change the fuel supply.
  • the inlet temperature in the selected burners can be changed compared to the other burners, in particular the changed inlet temperature in the selected burners being achieved by a targeted change in the fuel supply in the burner arrangement of the first stage of the combustion device.
  • the changed inlet temperature in the selected burners can also be achieved by a targeted change in the water supply.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Betrieb einer ringförmigen Brenneranordnung (10) in der Zwischenerhitzungsstufe einer mehrstufigen Verbrennungseinrichtung einer Gasturbine, welche Brenneranordnung eine Mehrzahl von in einem Ring angeordneten gleichartigen Brennern (B1,..,Bi,..,Bn) umfasst, wird verbesserter Betrieb da durch erreicht, dass zur Unterdrückung von bei der Verbrennung auftretenden hochfrequenten Instabilitäten in einem vorgegebenen instabilen Betriebsbereich der Brenneranordnung (10) wenigstens ein ausgewählter Teil der Brenner (B1,..,Bi,..,Bn) für sich genommen in einem stabilen Betriebsbereich betrieben wird.

Description

BESCHREIBUNG
VERFAHREN ZUM BETRIEB EINER RINGFÖRMIGEN BRENNERANORDNUNG IN EINER ZWISCHENERHITZUNGSSTUFE EINER MEHRSTUFIGEN VERBRENNUNGSEINRICHTUNG EINER GASTURBINE
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Brenneranordnungen für Gasturbinen. Sie betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer ringförmigen Breπner- anordnung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
In einer Gasturbine mit einem Zwischenüberhitzungssystem wird eine zweite Verbrennungszone dadurch erzeugt, dass Brennstoff in eine Hochgeschwindigkeitsströmung verunreinigter Luft eingespritzt wird, die aus einer ersten Turbinenstufe austritt. Derartige Hochgeschwindigkeitsströme, die in einen abgasseitigen Verbrennungsraum eintreten, sind oft anfällig für hochfrequente Instabilitäten, die Pulsationen hoher Amplitude erzeugen können. Die Unterdrückung solcher Druckpulsationen ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Qualität des Verbrennungsprozesses, und für das Vermeiden einer Verschlechterung der Brennerstruktur. Es ist auch herausgefunden worden, dass die Anregung derartiger Hochfrequenz-Instabilitäten empfindlich ist gegenüber geringfügigen Änderungen des Arbeitspunktes (wie z.B. Änderungen im Massenstrom oder der Temperatur), so dass die Verbrennungsart während des Betriebs der Maschine schnell von stabil zu instabil wechseln kann.
In einer älteren, noch nicht veröffentlichten Anmeldung der Anmelderin ist ein Verfahren vorgeschlagen worden, mit dem durchbrochene Wände in Zwischenü- berhitzungs-Brenneranordnungen so ausgelegt werden können, dass sowohl die Kühlungswirkung als auch die akustische Dämpfung maximiert sind. Als Folge davon werden die hohen Frequenzen für einen weiten Bereich von Betriebsparametern im instabilen Bereich heruntergedämpft.
In der DE-A1-199 39235 wird ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungseinrichtung einer Gasturbine beschrieben, bei der eine Mehrzahl von in eine gemein- same Brennkammer arbeitenden Brennern gleicher thermischer Leistung zur Unterdrückung von thermo-akustischen Verbrennungsinstabilitäten derart unterschiedlich ausgebildet sind, dass die von ihnen erzeugten Flammen bzw. Flammenfronten entlang der gemeinsamen Achse verteilt positioniert sind. Nachteilig ist dabei die unterschiedliche Ausbildung der Brenner, die zu erhöhten Erstel- lungs- und Wartungskosten führt.
Die vorliegende Erfindung zeigt demgegenüber einen anderen Weg zur Unterdrückung von Hochfrequenzschwingungen in der Verbrennungszone von Zwi- schenüberhitzungssystemen auf. Sie geht dabei von einer ringförmigen Brenner- anordnung mit einer Mehrzahl von in einem Ring angeordneten gleichartigen
Brennern aus, die jedoch unter unterschiedlichen Bedingungen betrieben werden können. DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer Brenneranordnung in der Zwischenerhitzungsstufe einer mehrstufigen Verbrennungseinrichtung einer Gasturbine anzugeben, mit dem eine wirksame Unterdrückung von Instabilitäten möglich ist, auch wenn die Brenneranordnung in einem an sich instabilen Betriebsbereich betrieben wird.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass durch eine geänderte Betriebsweise zumindest ein Teil der einzelnen Brenner in einem stabilen Betriebsbereich betrieben wird. Hierdurch wird das Gesamtsystem derart verstimmt, dass hochfrequente Instabilitäten nicht mehr auftreten können.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass in den ausgewählten Brennern die Wärmefreisetzung gegenüber den anderen Brennern geändert ist, dass die geänderte Wärme- freisetzung in den ausgewählten Brennern durch eine Veränderung der Brenn- stoffzufuhr erreicht wird, und dass zur Veränderung der Brennstoffzufuhr ein steuerbares Ventil oder eine Verengung in der Brennstoffzufuhr verwendet wird.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass in den ausgewählten Brennern die Einlasstemperatur gegenüber den anderen Brennern geändert ist, und dass die geänderte Einlasstemperatur in den ausgewählten
Brennern durch eine gezielte Veränderung der Brennstoffzufuhr in der Brenneranordnung der ersten Stufe der Verbrennungseinrichtung erreicht wird.
Alternativ dazu kann die Brenneranordnuπg in einem Betriebsbereich mit Zusatz von Wasser betrieben werden, und die geänderte Einlasstemperatur in den ausgewählten Brennern durch eine gezielte Veränderung der Wasserzufuhr erreicht werden. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die im instabilen Bereich arbeitenden Brenner über die ringförmige Brenneranordnung in geeigneterweise verteilt betrieben werden.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführuπgsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 eine für die Realisierung der Erfindung beispielhafte (schemati- sierte) ringförmige Brenneranordnung mit n Brennern in einem reduzierten Koordinatensystem (x-Umfangskoordinate; z-axiale Koordinate);
Fig. 2 die Wachstumsrate der Pulsationen eines einzelnen Brenners in Abhängigkeit von der Strouhalzahl;
Fig. 3 die Abhängigkeit der Wachstumsrate bei der Strouhalzahl 2 von der Entfernung Xf der Flammenfront vom Auslass des zugehörigen Brenners; und
Fig.4 eine Tabelle der Wachstumsrate einer Brenneranordnung mit 24 identischen Brennern, die auf unterschiedliche Weise in einem stabilen und instabilen Modus betrieben werden. WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die Anregung von Verbrennungs-Instabilitäten kann verschiedene Ursachen haben, wie z.B. einen Rückkopplungsmechanismus zwischen Scherschicht-Instabi- litäten und Schwankungen in der Wärmefreisetzung, oder einen Rückkopplungsmechanismus zwischen der lokalen Wärmefreisetzung und Schwankungen im Äquivalenzverhältnis, bedingt durch eine schwankende Luftsäule innerhalb des Brennerelements. Typischerweise lassen sich die meisten dieser Effekte durch eine charakteristische Zeitverzögerung beschreiben, die im wesentlichen auf einer konvektiven Zeitskala zwischen dem Ort der Brennstoffeindüsung (oder auch: dem Ursprung der Scherschicht-Instabilität) und der örtlichen Lage der Flammenfront basiert. Als Folge davon sind diese Mechanismen sensibel gegenüber dem mittleren Flammenort.
Die in einem System mit sequentieller Verbrennung und Hochgeschwindigkeitsströmungen beobachteten Frequenzen liegen typischerweise im Bereich 1-10 kHz. f -L Die Frequenz f kann dabei auch dimensionslos als Strouhalzahl Str = - —
dargestellt werden, wobei L eine charakteristische Brennerlänge und U eine charakteristische Brennergeschwindigkeit sind. In diesem Bereich verursachen selbst kleine Variationen im Flammenort deutliche Wirkungen auf den
Mechanismus der Schallerzeugung, d.h., Änderungen von stabilen zu instabilen Zuständen.
Die akustische Wechselwirkung in einer ringförmigen Brenneranordnung für die Zwischen überhitzung mit einer beliebigen Anzahl von Brennern kann wie folgt mit einem Modell beschrieben werden:
Das Modell geht davon aus, dass es insbesondere zwei Parameter bzw. Verfahren gibt, um mit nur geringen konstruktiven Änderungen an den Brennern Inhomo- genitäten in die Zwischenüberhitzungs-Brenneranordnung einzuführen, mit deren Hilfe man das Auftreten von hochfrequenten Schwingungen vermeiden kann, nämlich
- die Einlasstemperatur an der Zwischenüberhitzungs-Brenneranordnung mittels eines abgestuften Betriebs von Brenπergruppen in der ersten Verbrennungsstufe; und
- die Wärmefreisetzung in der Zwischenüberhitzungs-Brenneranordnung mittels individueller Regelventile oder-düsen in den Brennstoff-Versorgungsleitungen der Zwischenüberhitzungsbrenner.
Der Einfluss der Inhomogenitäten, die durch die beiden o.g. Verfahren (Einlasstemperatur, Wärmefreisetzung) eingeführt werden, auf die Stabilität der Brenneranordnung ist mit numerischen Methoden untersucht worden.
Der herkömmliche lineare Stabilitätsansatz bildet die Basis der Untersuchung. Gemäss diesem Ansatz werden die Strömungsgleichungen linearisiert und die Entwicklung von Strömungsstörungen wird geprüft. Die Strömungsstörungen (Druck, Geschwindigkeit etc.) werden mit einer exponentiellen zeitlichen Abhängigkeit angenommen
(1) f(r,t) = F(7)exp(iωt), wobei die Störungsamplitude F ausschliesslich eine Funktion der räumlichen Koordinaten ist. Mathematisch reduziert sich das Problem der Stabilität auf ein Problem der Eigenfunktionen. Die Lösung des Problems ergibt die Eigenfunktio- nen F(r) und Eigenfrequenzen ω von möglichen Pulsationsmoden der Brenneranordnung. Die Eigenfrequenzen sind im allgemeinen komplex. Unter Berücksichtigung der exponentiellen Abhängigkeit der Strömungsstörungen von der Zeit gemäss Gleichung (1) können die folgenden Stabilitätskriterien formuliert werden:
- Wenn Imω > 0 ist, verschwinden die Pulsatioπen mit der Zeit und der zugehörige Pulsationsmode ist stabil. - Wenn Imω < 0 ist, wachsen die Störungen exponentiell mit der Zeit und der zugehörige Pulsationsmode ist instabil. - Der dazwischenliegende Fall Imω = 0 entspricht dem neutralen Mode. Der Imaginärteil Imω der Frequenz charakterisiert die Wachstumsrate der Störungen und gibt ein Mass für die Instabilität der Brenneranordnung.
Für die Stabilitätsanalyse werden die folgenden vereinfachenden Näherungen verwendet: Die ringförmige Brenneranordnung wird als unendlich dünn angenommen (siehe dazu: S.R. Stow, A. Dowling, Thermoacoustic oscillations in an annu- lar combustor, ASME Turbo Expo 2001 , Paper 2001 -GT-0038, (2001)). Innerhalb dieser Näherung wird die radiale Abhängigkeit der Störungen vernach- lässigt. Dies trifft zu, wenn die Wellenlänge viel grösser ist als die radiale Dicke der ringförmigen Brenneranordnung. Diese Näherung reduziert die Anzahl der unabhängigen räumlichen Variablen von 3 auf 2, nämlich auf eine Umfangskoordinate und eine axiale Koordinate. In Figur 1 ist eine schematische dargestellte Abwicklung einer ringförmigen Brenneranordnung 10 mit n Brennern B1 ,..,Bi,..,Bn wiedergegeben, die in eine gemeinsame Brennkammer 11 mit einem Brennkammerauslass 12 arbeiten. Die Koordinate z bezeichnet dabei die Umfangsrichtung, und x die axiale Erstreckung, in Durchströmungsrichtung. Für einen vorgegebenen Wert der axialen Koordinate x ist das Strömungsmuster periodisch mit der Periode L(x), die durch die Gestalt der Brenneranordnung 10 festgelegt wird. Die Flammen F1,..,Fi,..,Fn, die von den Brennern B1 ,..,Bi,..,Bn ausgehen, sind in Fig. 1 ebenfalls eingezeichnet. Der Abstand zwischen dem Auslass des i-ten Brenners Bi und der zugehörigen Flamme Fi ist als Xf bezeichnet.
Das Brenner-Modell, das in einem früheren Artikel (A. Ni, W. Polifke and F. Joos, Ignition delay time as a contribution to thermo-acoustic instability in sequential combustion, ASME Turbo Expo 2000, Paper 2000-GT-0103 (2000)) vorgeschlagen worden ist, bestimmt das akustische Verhalten des einzelnen Brenners in der Stabilitätsanalyse. Die Eingangsgrössen des Modells sind: Geometrie des Bren- ners, Druckabfall in der Brennstoffversorgungsleitung, Brennstoffmassenstrom, mittlere hydrodynamische und thermodynamische Parameter (Geschwindigkeit, Druck, Dichte, Temperatur) der Strömung im Brenner, Ort der Flammenfront und Brennstoffmischlänge. Der angewandte Mechanismus der Pulsationsanregung ist der von Rayleigh angegebene (J.W.S. Rayleigh, The theory of sound, 1945, New York Dover Publications). Akustische Wellen, die sich im Brenner ausbreiten, werden am Einlass des Brenners, an seinem Auslass und an der Flamme reflektiert. Druckschwankungen ergeben Schwankungen im Äquivalenzverhältnis und folglich in der Wärmefreisetzung, die dann Druckschwingungen anregen. Der oben beschriebene Mechanismus stellt einen geschlossenen Regelkreis mit Rückkopplung dar, der dann instabil wird, wenn das Rayleighkriterium erfüllt ist (siehe dazu z.B. die DE-A1-199 39 235). Ziel der Untersuchung war eine Prüfung der Empfindlichkeit der Regelschleife gegenüber den verschiedenen o.g.
Regel parametem. In dem o.g. Artikel von A. Ni et al. ist der Fall eines einzelnen Brenners betrachtet worden. Im vorliegenden Fall werden die kollektiven Effekte aufgrund der akustischen Wechselwirkung zwischen den Brennern über die in der ringförmigen Brenneranordnung sich ausbreitenden akustischen Wellen mitberücksichtigt.
Nachfolgend werden die Ergebnisse der Berechnungen betrachtet, die durchgeführt worden sind, um den Einfluss der Ungleichmässigkeit aufgrund unterschiedlicher Brennercharakteristiken auf die Wachstumsgeschwindigkeit der Pulsationen aufzuklären. Die Berechnungen sind für eine reale Geometrie der Brenneranordnung durchgeführt worden. In Figur 2 ist das Verhalten der Pulsations-
Wachstumsrate G.R. eines einzelnen Brenners in Abhängigkeit von der
2π zugehörigen dimensionslosen Frequenz, Strouhalzahl Str, wiedergegeben. In dieser Berechnung ist die Position der Flammenfront Xf/L= 0,53. Man sieht im Ergebnis eine ausgeprägte (negative) Spitze bei einer Frequenz von ungefähr Str=2, die auch in Experimenten festgestellt worden ist. In Figur 3 ist die Abhängigkeit der Wachstumsrate G.R. bei dieser Strouhalzahl von der Position der Flammenfront (Xf/L) dargestellt. Man erkennt eine starke Abhängigkeit der Wachstumsrate von Xf/L. Eine Verschiebung der Flammenfront von weniger als Xf/L= 0,53 bringt den (Str=2)-Mode vom instabilen in den stabilen Zustand und wieder zurück. Übertragen auf die dimensionsbehafteten Grossen heisst das, dass einer Verschiebung der Flammenfront um einige wenige Zentimeter vom instabilen in den stabilen Zustand führt und zurück. Dieses Ergebnis stimmt mit Experimenten überein, die in einer Testanordnung mit einem einzelnen Brenner durchgeführt worden sind.
Die Berechnungen für einen einzelnen Brenner sind konsistent mit denen für eine ringförmige Brenneranordnung mit n=24 identischen Brennern. Nach den Berechnungen für die ringförmige Brenneranordnung ist das System instabil, wenn die Flammenfronten aller 24 Brenner die Koordinate Xf/L = 0,67 haben. Die Wachs- tumsrate der Instabilität ist in der Tabelle der Figur 4 wiedergegeben. Wenn die Flammenfronten aller 24 Brenner die Koordinate Xf/L = 0,4 haben, ist das System stabil.
Die Resultate der Berechnungen für die gemischten Fälle, in denen einige Brenner stabil und einige Brenner instabil sind, sind in der Tabelle der Figur 4 zusammengestellt. Die Brenner sind in der azimuthalen Richtung aufeinanderfolgend nummeriert. In der ersten Spalte der Tabelle sind die aufeinanderfolgenden Ordnungsnummern der instabil betriebenen Brenner mit der dimensionslosen Flammenfrontposition Xf/L = 0,67 aufgeführt. Alle übrigen Brenner sind stabil betrieben und haben die Koordinate Xf/L = 0,4. Bei den
Berechnungen ist ausserdem der Einfluss der Brenner untersucht worden, die bis zur Stabilität gedrosselt worden sind. Die Drosselung ist dabei durch eine Reduktion der Brennstoffzufuhr zum jeweiligen Brenner nachgebildet worden. Die dritte Spalte der Tabelle enthält die Nummern der Brenner, die um 50% gedrosselt worden sind. In der vierten Spalte ist die berechnete Wachstumsrate für die jeweilige Brennerkonfiguration angegeben. Die Daten in der 10. Reihe der Tabelle bedeuten beispielsweise, dass die drei Brenner 1 , 2 und 3 die dimensionslose Flammenfrontposition Xf/L = 0,67 haben und die Brenner 1 und 2 gedrosselt sind.
Die Berechnungen können wie folgt zusammengefasst werden:
1. Die Stabilität hängt von der Anzahl der instabilen Brenner ab. Je mehr instabile Brenner vorhanden sind, desto grösser ist die Wachstumsrate. 2. Die Stabilität hängt von der wechselseitigen Positionierung der instabilen Brenner ab. Vergleicht man die Daten in den Reihen 5 und 7, kann man zu dem Schluss kommen, dass in beiden Fällen 4 instabile Brenner vorhanden sind; jedoch ist der zweite Fall stabiler (die Wachstumsrate ist kleiner). In den Reihen 3 und 4 gibt es drei instabile Brenner; sie sind jedoch beide stabiler als der Fall in Reihe 7.
3. Die Stabilität wird auch stark durch die Anzahl und Position der gedrosselten Brenner bestimmt.
Aus der Analyse können die folgenden Schlüsse gezogen werden:
- Kleine Änderungen im Ort der Flammenfront bei jedem der einzelnen Brenner schieben das System in einen stabilen Betriebsbereich hinein bzw. aus dem Bereich heraus.
- Die steuernden Parameter des Systems sind bei vorgegebener Geometrie und akustischen Randbedingungen
- Einlasstemperatur,
- Wärmefreisetzung in der Brenneranordnung,
- Druckabfall in der Brennstoffdüse, und
- Mischungs- und Zündzeit. - In einem ringförmigen System mit einer Mehrzahl von Brennern hat die jeweilige Kombination von instabilen und stabilen Brennern einen entscheidenden Einfluss auf die resultierende Wachstumsrate der Instabilität.
- Die Stabilität des Gesamtsystems hängt von der Anzahl der instabilen Brenner ab. Je mehr Brenner instabil sind, umso grösser ist die Wachstumsrate. Die Stabilität der Brenneranordnung hängt von der relativen Position der instabilen Brenner innerhalb des Systems ab. Eine zusammenhängende Gruppe von instabilen Brennern macht das gesamte System instabil. Statistisch verteilte instabile Brenner führen nicht notwendigerweise zu einem instabilen Verbrennungssystem.
Aus der Analyse kann nun ein Betriebskonzept gemäss der Erfindung entwickelt werden, in welchem die Einführung von kleinen, aber kontrollierten Inhomogeni- täten in die Zwischenerhitzungs-Brenneranordnung benutzt werden kann, um wirkungsvoll das Auftreten von hochfrequenten Schwingungen zu vermeiden. Diese Inhomogenitäten können entweder in die Zwischenerhitzungs-Brenneranordnung selbst eingeführt werden, oder sie können stromaufwärts in der Brenneranordnung der ersten Stufe eingeführt werden, derart, dass ein azimuthal inhomogenes Temperaturfeld in die Zwischenerhitzungs-Brenneranordnung hineinreicht.
Zur Unterdrückung von bei der Verbrennung auftretenden hochfrequenten Instabilitäten wird dabei in einem vorgegebenen instabilen Betriebsbereich der Brenner- anordnung 10 wenigstens ein ausgewählter Teil der Brenner B1,..,Bi,..,Bn für sich genommen in einem stabilen Betriebsbereich betrieben.
Dies kann einerseits dadurch geschehen, dass in den ausgewählten Brennern die Wärmefreisetzung gegenüber den anderen Brennern geändert ist, wobei insbe- sondere die geänderte Wärmefreisetzung in den ausgewählten Brennern durch eine Veränderung der Brennstoffzufuhr erreicht wird. Zur Veränderung der Brennstoffzufuhr wird dabei vorzugsweise ein steuerbares Ventil oder eine Verengung in der Brennstoffzufuhr verwendet.
Alternativ kann in den ausgewählten Brennern die Einlasstemperatur gegenüber den anderen Brennern geändert sein, wobei insbesondere die geänderte Einlasstemperatur in den ausgewählten Brennern durch eine gezielte Veränderung der Brennstoffzufuhr in der Brenneranordnung der ersten Stufe der Verbrennungseinrichtung erreicht wird.
Wenn die Brenneranordnung in einem Betriebsbereich mit Zusatz von Wasser betrieben wird, kann aber auch die geänderte Einlasstemperatur in den ausgewählten Brennern durch eine gezielte Veränderung der Wasserzufuhr erreicht werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
10 Brenneranordnung (ringförmig) 11 Brennkammer
12 Brennkammerauslass
B1,B2,Bi,Bn Brenner
F1,F2)Fi,Fn Flamme x axiale Koordinate z Umfangs-Koordinate

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Betrieb einer ringförmigen Brenneranordnung (10) in der Zwischenerhitzungsstufe einer mehrstufigen Verbrennungseinrichtung einer Gasturbine, welche Brenneranordnung eine Mehrzahl von in einem Ring angeordneten gleichartigen Brennern (B1,..,Bi,..,Bn) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterdrückung von bei der Verbrennung auftretenden hochfrequenten Instabilitäten in einem vorgegebenen instabilen Betriebsbereich der Brenneranordnung (10) wenigstens ein ausgewählter Teil der Brenner (B1 ,..,Bi,..,Bn) für sich genommen in einem stabilen Betriebsbereich betrieben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in den ausgewählten Brennern die Wärmefreisetzung gegenüber den anderen Brennern geändert ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die geänderte Wärmefreisetzung in den ausgewählten Brennern durch eine Veränderung der Brennstoffzufuhr erreicht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Veränderung der Brennstoffzufuhr ein steuerbares Ventil oder eine Verengung in der Brennstoffzufuhr verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in den ausgewählten Brennern die Einlasstemperatur gegenüber den anderen Brennern geändert ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die geän- derte Einlasstemperatur in den ausgewählten Brennern durch eine gezielte Veränderung der Brennstoffzufuhr in der Brenneranordnung der ersten Stufe der Verbrennungseinrichtung erreicht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenneranordnung in einem Betriebsbereich mit Zusatz von Wasser betrieben wird, und dass die geänderte Einlasstemperatur in den ausgewählten Brennern durch eine gezielte Veränderung der Wasserzufuhr erreicht wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die verbleibenden, im instabilen Bereich arbeitenden Brenner über die ringförmige Brenneranordnung (10) in geeigneter Weise verteilt betrieben werden.
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