CH672366A5

CH672366A5 -

Info

Publication number: CH672366A5
Application number: CH4892/86A
Authority: CH
Inventors: Jaan Hellat; Jakob Keller
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1986-12-09
Filing date: 1986-12-09
Publication date: 1989-11-15
Also published as: JPS63156926A; EP0276397B1; DE3767873D1; EP0276397A1; US4805411A

Description

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer von Gasturbinen für den Betrieb mit Flüssigbrennstoffen. Sie betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennkammer.

Bei der vorliegenden Erfindung geht es um eine technische Neuerung bei Brennkammern von Gasturbinen, bei welchen eine trockene, NOx-arme Verbrennung von Flüssigbrennstoffen in Gasturbinenbrennkammern angestrebt wird. Zur Erzielung einer primärseitigen Reduktion der NOx-Emis-sionswerte beim Betrieb von Gasturbinenbrennkammern mit gasförmigen Brennstoffen sind grundsätzlich vier Prinzipien bekannt:

a) dieVormischverbrennung;

b) die Zweistufenverbrennung, bei welcher in einer ersten Stufe eine unterstöchiometrische Verbrennung eingeleitet wird, worauf in einer zweiten Stufe eine rasche Zumischung von Luft und eine überstöchiometrischen Nachverbrennung folgt;

c) die flächenartige Verbrennung, bei welcher das Ziel verfolgt wird, eine möglichst kurze Verweilzeit der Gase in der Reaktionszone zu erreichen;

d) das Eindüsen von Wasser oder Dampf in die Reaktionszonen zur Absackung der Reaktionstemperaturen.

Die niedrigen vom Gesetzgeber noch tolerierten NOx-Emissionswerte können im Fall einer flächenartigen Verbrennung höchstens dann eingehalten werden, wenn die Aufenthaltszeit der Gasteilchen in heissen sauerstoffreichen

Zonen möglichst kurz ist, nämlich nicht mehr als einige Millisekunden. Andererseits, damit niedrige CO-Emissionswerte erreicht werden können, darf im Reaktionsbereich eine gewisse Grenztemperatur nicht unterschritten werden.

Ausserdem ist es bekannt, dass die Vermeidung von NOx mit Brennkammerkonzepten mit gestufter Verbrennung erzielbar ist. Diese Stufung kann bedeuten, entweder eine unterstöchiometrische Primärverbrennungszone mit anschliessender Nachverbrennung bei tiefen Temperaturen oder die stufenweise Zuschaltung überstöchiometrischer betriebener Brennerelemente. In jedem Fall erfordert die Stufung auch einen kraftvollen Mischmechanismus.

Das Prinzip der Vormischverbrennung hat sich für die Verbrennung von gasförmigen Brennstoffen als technisch beste Massnahme zur NOx-Reduktion erwiesen.

Eine Vormischverbrennung kann beispielsweise darin bestehen, dass innerhalb einer Anzahl rohrförmiger Elemente zwischen dem Brennstoff und der Verdichterluft ein Vormischprozess bei grosser Luftzahl abläuft, bevor der eigentliche Verbrennungsprozess stromabwärts eines Flammenhalters stattfindet. Hierdurch können die Emissionswerte an Schadstoffen aus der Verbrennung erheblich reduziert werden. Die Verbrennung mit der grösstmöglichen Luftzahl - einmal dadurch gegeben, dass die Flamme überhaupt noch brennt und im weiteren dadurch, dass nicht zuviel CO entsteht - vermindert indessen nicht nur die Schadstoffmenge von NOx sondern bewirkt darüber hinaus auch eine konsistente Herabsetzung anderer Schadstoffe, nämlich wie bereits erwähnt von CO und von unverbrannten Kohlenwasserstoffen. Dieser Optimierungsprozess kann bei der bekannten Brennkammer, hinsichtlich tieferer NOx-Emissionswerte, dahingehend getrieben werden, dass der Raum für Verbrennung und Nachreaktion viel länger gehalten wird als es für die eigentliche Verbrennung notwendig wäre. Dies erlaubt die Wahl einer grossen Luftzahl, wobei dann zwar zunächst grössere Mengen an CO entstehen, diese aber zu CO2 weiter reagieren können, so dass schliesslich die CO-Emissionen doch klein bleiben. Auf der anderen Seite bilden sich aber wegen der grossen Luftzahl eben tiefere NOx-Emissionswerte. Bei derartiger Vormisch-verbrennungstechnik muss lediglich sichergestellt werden, dass die Flammstabilität, insbesondere bei Teillast, nicht an die Löschgrenze aufgrund des sehr mageren Gemisches und der sich daraus ergebenden niedrigen Flammentemperatur stösst. Eine solche Vorkehrung ist beispielsweise anhand einer Brennstoffregulierung sowie der stufenweise in Betrieb genommenen Vormischelemente in Abhängigkeit zur Maschinendrehzahl zu bewerkstelligen.

Aufgrund der kurzen Zündverzugszeiten bis zur Selbstzündung von flüssigen Brennstoffen, beispielsweise Diesel, kommt eine Vormischverbrennung von Flüssigbrennstoffen immer weniger in Frage, denn die Entwicklung im modernen Gasturbinenbau strebt eine weitere Erhöhung des an sich schon heute bereits sehr hoch gewählten Brennkammerdruckes an. Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkammer der eingangs genannten Art vergleichbare niedrige NOx-Emissionswerte wie bei mit gasförmigen Brennstoffen betriebenen Brennkammern zu erreichen,

ohne das Risiko einer Selbstzündung der Flüssigbrennstoffe ausserhalb des Brennraumes einzugehen. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1.

Der Vorteil der Erfindung ist im wesentlichen darin zu sehen, dass auf einfache Weise ein System bereitgestellt wird, das niedrige NOx-Emissionen erzeugt, wobei dieses System ohne die an sich recht aufwendige Technik und Infrastruktur zur Erzielung der Vormischung auskommt.

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Die Idee besteht grundsätzlich darin, ein Primärbrenner-und Nachbrennersystem vorzusehen. Der flüssige Brennstoff wird direkt in den Brennraum eingespritzt. Beim Nachbrenner wird der eingespritzte Brennstoff mit einem Luftmantel abgeschirmt, wobei es sich hier um einen nicht selbstgängigen Brenner handelt. Der Nachbrenner, der in einem zentralen Brennraum am Ende der Primärbrennerräume plaziert ist, wird jeweils in Kombination mit einem oder mehreren Primärbrennern eingesetzt. Die von den Primärbrennern erzeugten Heissgase sollen das vom Nachbrenner erzeugte Gemisch nicht in unmittelbarer Nähe der Brennstoffdüse des Nachbrenners zünden können, um eine Verbrennung bei nahstöchiometrischen Bedingungen zu vermeiden. Dafür sorgt der abschirmende Luftmantel, der unverdrallt ist und der den von der Nachbrennerdüse ausgehenden Brennstoffnebel zunächst wirksam gegen die äusseren Heissgase abschirmt. Eine Zündung des Nachbrennergemisches soll erst dann möglich werden, wenn sich der von der Nachbrennerdüse eingebrachte Flüssigbrennstoff ausreichend stark mit der abschirmenden Mantelluft und mit dem lufthaltigen Heissgas vermischt hat, so dass die Verbrennung im mageren Gemisch bei tiefen Temperaturen stattfindet.

Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfin-dungsgemässen Aufgabenlösung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden werden anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.

Die Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine ringförmige Brennkammer mit Primär- und Nachbrennern;

Fig. 2 die Umgebung eines Nachbrenners und

Fig. 3 eine weitere Umgebung eines Nachbrenners.

Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen bezeichnet. In den verschiedenen Figuren sind jeweils gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt eine Brennkammer für Gasturbinen, die im GT-Ringgehäuse 1 untergebracht ist. Ist die ganze Brennkammer in ein GT-Ringgehäuse 1 eingebettet, so ist sie mit der verdichteten Luft 11 aus dem Verdichter 10 direkt verbunden. Die Wand des GT-Ringgehäuses 1 ist so ausgelegt, dass sie dem Verdichterenddruck standhält. Die geometrische Form des Brennraumes ist, wie Mittelachse 12 versinnbildlichen will, ringförmig und besteht aus zwei end-seitig angeordneten Primärbrennerräumen 5,5a, die gegenüber dem zentralen Brennraum 6 symmetrisch und V-förmig angeordnet sind. Selbstverständlich können die Primärbrennerräume 5,5a gegenüber einer gedachten Zentralachse durch den zentralen Brennraum 6 in einer waagrechten Ebene liegen. Die Primärbrennerräume 5,5a selbst sind an ihren stirnseitigen Enden in Umfangsrichtung mit einer von der Leistung der Brennkammer abhängigen Anzahl nebeneinander angeordneter Primärbrenner 2,2a bestückt. Diese bestehen im wesentlichen aus einer Brennstoffleitung 3,3a und aus einem Drallkörper 8,8a. Statt in Umfangsrichtung durchgehende ringförmige Primärbrennerräume 5,5a vorzusehen, können auf den Umfang verteilt mehrere in sich abgeschlossene Kammereinheiten vorgesehen werden, die jeweils aus einem Paar Primärbrenner 2,2a mit vorzugsweise drehsinnentgegengesetzt orientierten Drallkörpern 8,8a bestehen. Dies bewirkt, dass in den einzelnen Kammereinheiten ein wirkungsvoller Mischvorgang erzeugt werden kann, wobei ein ebenfalls ringförmiger Austrittskanal die aus den einzelnen Kammereinheiten austretenden Heissgase sammelt, um sie dann zum zentralen Brennraum 6 zu führen. Werden die hier dargestellten durchgehenden ringförmigen Primärbrennerräume 5 und 5 a vorgesehen, so können die dort nebeneinander angeordneten Primärbrenner 2 oder 2a wechselweise auch mit drehsinnentgegengesetzt orientierten Drallkörpern 8,8a bestückt werden. In Kombination mit vorzugsweise zwei gegenüberliegenden Primärbrennern 2,2a ist jeweils ein Nachbrenner 4 vorgesehen. Vom Nachbrenner 4 aus wird flüssiger Brennstoff 15 direkt in den zentralen Brennraum 6 eingegeben und mit einem Luftmantel 14 abgeschirmt. Der Nachbrenner 4 ist so konzipiert, dass er nicht selbstgängig ist, d. h. zu dessen Gemischverbrennung braucht es eine permanente Zündung. Die von den Primärbrennern 2,2a erzeugten Heissgase 13 sollen das vom Nachbrenner 4 erzeugte Gemisch 14/15 nicht in unmittelbarer Nähe der Brennstoffdüse des Nachbrenners 4 zünden könnnen. Dafür sorgt der abschirmende Luftmantel 14, der vorzugsweise unverdrallt sein soll und den von der Nachbrennerdüse ausgehenden Brennstoffnebel 15 zunächst wirksam gegen die dort ankommenden Heissgase 13 der Primärbrenner 2,2a abschirmt. Eine Zündung des Nachbrennergemisches 14/15 soll erst dann möglich sein, wenn sich der von der Brennerdüse eingebrachte Flüssigbrennstoff 15 ausreichend stark mit dem abschirmenden Luftmantel 14 vermischt hat. Die auf die Brennstoffzufuhr des Nachbrenners 4 und den Luftmantel 14 bezogene Luftzahl ist nach den gleichen Kriterien wie für einen Vormischbrenner festgelegt. Bei diesem Nachbrennerprinzip spielt die rasche Einmischung der Heissgase 13, nachdem diese die erste Fremdzündung des Nachbrennergemisches 14/15 eingeleitet haben, eine wichtige Rolle für die Stabilität der Verbrennung, weshalb zu achten ist, dass das Impulsdichtenverhältnis zwischen Primärbrennergasen 13 und Nachbrennergemisch 14/15 sehr hoch - weit über 1 -gewählt wird. Dabei ist erhärtet, dass ein optimal ausgelegter Nachbrenner 4 kaum mehr NOx als ein Vormischbrenner produziert, während die Primärbrenner 2,2a, die selbstverständlich selbstgängig sein müssen, beispielsweise als Diffusionsbrenner ausgelegt, wesentlich höhere NOx-Emissionen verursachen. Aus diesem Grund ist in einer Gasturbinenbrennkammer vorzukehren, einen möglichst hohen Anteil des flüssigen Brennstoffes über die Nachbrenner 4 zuzuführen. Die Primärbrenner 2,2a sind daher möglichst klein zu planen und sie sollen mit hohen Luftzahlen betrieben werden : Beide Massnahmen ermöglichen, die NOx-Emis-sionen aus dem Betrieb der Primärbrenner 2,2a so niedrig als möglich zu halten. Folgerichtig ergibt dies für den Betrieb einer Gasturbinenbrennkammer, dass die Primärbrenner 2, 2a und die Nachbrenner 4 gestuft betrieben werden. Vorzugsweise bei einem Lastpunkt in der Nähe von Nullast der Gasturbinen werden die Nachbrenner 4 zugeschaltet. Zwischen dem Zuschaltpunkt und maximaler Last wird die Last nur über die Brennstoffzufuhr zu den Nachbrennern 4 geregelt, wobei dann mit zunehmender Nachbrennerlast eine schrittweise Reduktion der Brennstoffzufuhr zu den Primärbrennern 2,2a eingeleitet werden kann. Die untere Grenze für die Reduktion der Brennstoffzufuhr zu den Primärbrennern 2, 2a ist gegeben einerseits durch die Löschgrenze der Primärbrenner und andererseits durch die Notwendigkeit, dass die Temperatur des Abgases der Primärbrenner genügend hoch sein muss, um den Ausbrand des Nachbrennerbrennstoffs einzuleiten. Der Luftmantel 14 schirmt den Nachbrenner 4 sowie dessen Flüssigbrennstoff-Sprühkegel 15 vor den heranströmenden Heissgasen 13 aus den Primärbrennern 2,2a ab. Wie bereits erläutert, soll das vom Nachbrenner 4 erzeugte Gemisch 14/15 nicht in unmittelbarer Nähe der Brennstoffdüse 15 bei nahstöchiometrischen Bedingungen zur Zündung kommen. Eine Zündung des Nachbrennergemisches 14/15 soll erst dann möglich sein, wenn sich der von der Nach5

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brennerdüse eingebrachte Flüssigbrennstoff 15 ausreichend stark mit dem abschirmenden Luftmantel 14 vermischt hat, also stromabwärts des zentralen Brennraumes 6. Weiter stromabwärts befindet sich die Mischkammer 7, welche dafür sorgt, dass eine wirbelfreie Strömung mit gleichförmigem Gesamtdruck und Temperaturprofil entstehen kann, bevor die Turbine 9 beaufschlagt wird.

Grundsätzlich ist die Länge der Mischkammer 7 stark von der Stärke des Misch Vorganges abhängig: Beobachtungen haben ergeben, dass eine wirbelfreie Strömung mit gleich-mässigem Druck nach einer Länge von etwa drei Durchmessern der entsprechenden Brennkammereinheit gut erreicht wird. Was die optimale Ausführung der Primärbrenner 2,2a betrifft, so wird auf die Beschreibung gemäss EP-0 193 029, insbesondere unter Fig. 2, verwiesen.

Die gemäss Fig. 2 ersichtliche Lösung will den Nachbrenner 4 weitergehend vor den heranströmenden Heissgasen 13 der Primärbrenner 2,2a schützen. Zu diesem Zweck wird der Einlauf 16 der abschirmenden Luft 14 in die Brennkammer mindestens so verlängert, dass der Flüssigbrennstoff-Sprühkegel 15 mitabgeschirmt wird. Die Heissgase 13

strömen erst weiter stromabwärts zum Nachbrennergemisch 14/15 hinzu ; dort ist die Vermischung des Flüssigbrennstoffes 15 mit der abschirmenden Mantelluft 14 soweit fortgeschritten, dass eine Zündung dieses Gemisches 14/15 von-s statten gehen kann.

Fig. 3 zeigt eine weitere Variante, wie der Nachbrenner 4 und dessen Flüssigbrennstoff-Sprühkegel 15 vor den heranströmenden Heissgasen 13 im Bereich des zentralen Brennraumes 6 abgeschirmt werden können. Die abschirmende io Luft 14 strömt einerseits entlang des Nachbrenners 4 und andererseits seitlich zwischen mehreren Lamellen 17 hindurch in den zentralen Brennraum 6. Eine solche Vorkehrung bietet den Vorteil, dass damit die Vermischung zwischen Flüssigbrennstoff 15 und abschirmender Luft 14 vor i5 der Mischkammer 7 optimiert wird. Bereits am Anfang der Mischkammer 7 findet dann die Zündung dieses Gemisches 14/15 durch die dort einmündenden Heissgase 13 statt. Damit verbleibt die ganze Länge der Mischkammer 7 zur Verfügung, um eine wirbelfreie Strömung mit gleichmäs-20 sigem Druck und Temperaturprofil für die zu beaufschlagende Turbine bereit zu stellen.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

672366 PATENTANSPRÜCHE

1. Brennkammer einer Gasturbine, die mit Flüssigbrennstoffen betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Brennraum der Brennkammer in Kombination mit einem oder mehreren Primärbrennern (2,2a) jeweils mindestens ein Nachbrenner (4) eingesetzt ist, wobei der Nachbrenner (4) und mindestens dessen Brennstoffsprühkegel (15) durch einen ummantelnden Luftstrom (14) vor den Heissgasen (13) der Primärbrenner (2,2a) abgeschirmt ist.

2. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennraum aus einem ringförmigen zentralen Brennraum (6) und, beidseitig davon und spiegelbildlich angeordnet, aus je einem ringförmigen Primärbrennerraum (5,5a) besteht, wobei der zentrale Brennraum (6) mit Nachbrennern (4) und die Primärbrennräume (5,5a) in Umfangsrichtung mit nebeneinander angeordneten Primärbrennern (2,2a) bestückt sind.

3. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärbrennerräume (5,5a) gegenüber dem zentralen Brennraum (6) V-förmig angelegt sind.

4. Brennkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärbrennerräume (5,5a) in Umfangsrichtung in Kammereinheiten aufgeteilt sind, wobei je Kammereinheit zwei nebeneinander angeordnete Primärbrenner (2,2a) plaziert sind, und wobei die Drallkörper (8,8a) der Primärbrenner (2,2a) innerhalb der jeweiligen Kammereinheit gegenrotierend sind.

5. Brennkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachbrenner (4) und dessen Brennstoffsprühkegel (15) vor den Heissgasen (13) zusätzlich durch mechanische Mittel (16,17) geschützt sind.

6. Verfahren zum Betrieb der Brennkammer gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachbrenner (4) den Flüssigbrennstoff (15) direkt in den zentralen Brennraum (6) sprüht, wobei der Nachbrenner (4) keinen selbstgängigen Betrieb aufweist, und wobei der abschirmende Luftmantel (14) unverdrallt herangeführt wird.