DE102005061486B4

DE102005061486B4 - Verfahren zum Betreiben einer Brennkammer einer Gasturbine

Info

Publication number: DE102005061486B4
Application number: DE102005061486.8A
Authority: DE
Inventors: Dr. Carroni Richard; Dr. Griffin Timothy
Original assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2018-07-12
Anticipated expiration: 2025-12-23
Also published as: DE102005061486A1; US7568907B2; MY153409A; US20080314045A1; EP1963748B1; WO2007074033A1; EP1963748A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkammer (2) einer Gasturbine, insbesondere einer Kraftwerksanlage,
- wobei die Brennkammer (2) zumindest einen Brenner (1) aufweist, der mit einem katalytischen Pilot-Brenner (3) ausgestattet ist,
- wobei der Pilot-Brenner (3) bei einer niedrigen Leistung der Brennkammer (2) so angesteuert wird, dass er als Reaktionsprodukt ein Synthesegas mit einem hohen Anteil an Wasserstoffgas erzeugt,
- wobei der Pilot-Brenner (3) bei einer hohen Leistung der Brennkammer (2) so angesteuert wird, dass das erzeugte Synthesegas einen niedrigen Anteil an Wasserstoffgas aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkammer einer Gasturbine, insbesondere einer Kraftwerksanlage.
Stand der Technik
Aus der US 6 358 040 B1 ist ein katalytischer Brenner bekannt, der im Betrieb aus einem fetten Brennstoff/Luft-Gemisch ein Wasserstoffgas enthaltendes Synthesegas generieren kann und der als Pilot-Brenner für einen üblicherweise mager betriebenen Brenner einer Brennkammer einer Gasturbine verwendet werden kann. Durch die Eindüsung eines Wasserstoffgas enthaltenden Synthesegases in den Brenner bzw. in einen Brennraum der Brennkammer kann die homogene Verbrennungsreaktion, die im Betrieb der Brennkammer in deren Brennraum abläuft, stabilisiert werden. Insbesondere kann dadurch die Löschtemperatur der Verbrennungsreaktion bei mager betriebenen Brennern gesenkt werden. Insgesamt können dadurch die Verbrennungstemperaturen im Brennraum der Brennkammer reduziert werden. Dies ist von besonderem Vorteil, da die Bildung von Stickoxiden exponentiell mit der Reaktionstemperatur ansteigt.
Gattungsgemäße stabilisierte Verbrennungsverfahren mit niedrigen Emissionen sind außerdem in den Dokumenten WO 2004/020901 und WO 2004/020905 beschrieben.
WO 2004/020901 A1 offenbart einen Hybridbrenner sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb, wobei der Hybridbrenner innerhalb eines Gehäuses parallelgeschaltet einen Volloxidationskatalysator und einen Teiloxidationskatalysator enthält, welche von einem ersten und einem zweiten Brennstoff-Oxidator-Gemisch durchströmt werden. Die beiden Gemische besitzen ein unterschiedliches Brennstoff-Oxidator-Verhältnis dergestalt, dass das erstere ein fettes Gemisch ist und das zweite ein mageres Gemisch ist und dass der Teiloxidationskatalysator so ausgebildet ist, dass ein wasserstoffhaltiges Abgas erzeugt wird.
WO 2004/020905 A1 offenbart ein Verfahren zum Verbrennen eines Brennstoff-Oxidator-Gemischs sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung, wobei ein Gesamtoxidatorstrom in einen Haupt- und einen Nebenstrom aufgeteilt wird, wobei der erstere mit einem Hauptbrennstoffstrom in einem Vormischbrenner mager vorgemischt und verbrannt wird und der zweite nochmals aufgeteilt wird, und zwar in einen Pilot-Oxidatorstrom und einen Wärmeübertrager-Oxidatorstrom, welcher stromab zum Vorwärmen des Pilot-Oxidatorstroms dient, der Pilot-Oxidatorstrom mit Brennstoff fett vermischt und in Kontakt mit einem Katalysator unter Ausbildung von Wasserstoff teiloxidiert und anschließend gemeinsam mit dem zweiten Teilstrom in eine Verbrennungszone des Hauptbrennstoff-Oxidatorstroms eingeleitet wird.
Diese Verfahren erreichen aufgrund der verminderten Brennraumtemperaturen geringere Schadstoffemissionen. Um jedoch die Brennkammer mit einer höheren Leistung betreiben zu können, muss die Brennkammer so betrieben werden, dass sie eine höhere Austrittstemperatur erreicht.
Darstellung der Erfindung
Hier setzt die vorliegende Erfindung an. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Brennkammer der eingangs genannten Art ein Verfahren bereitzustellen, das bei variierender Brennkammerleistung einen stabilisierten Betrieb sowie niedrige Schadstoffemissionen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen dieses Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Pilotbrenner in Abhängigkeit von der Brennkammerleistung so anzusteuern, dass das damit erzeugte Synthesegas bei einer niedrigen Brennkammerleistung einen vergleichsweise hohen Anteil an Wasserstoffgas enthält, während es bei einer vergleichsweise hohen Brennkammerleistung einen relativ niedrigen Anteil an Wasserstoffgas enthält. Die Erfindung nutzt hierbei die Erkenntnis, dass Synthesegas mit einem relativ niedrigen Anteil an Wasserstoffgas bei hohen Flammentemperaturen die Stickstoffbildung relativ stark reduziert. Gleichzeitig ist bei hohen Flammentemperaturen eine Absenkung der Löschgrenze nicht erforderlich. Im Unterschied dazu würde ein Synthesegas mit hohem Wasserstoffgasanteil bei hohen Flammentemperaturen die Schadstoffemission, insbesondere die Stickoxidemission, verstärken. Des weiteren nutzt die Erfindung die Erkenntnis, dass bei niedrigeren Flammentemperaturen die Eindüsung von Synthesegas mit einem relativ hohen Wasserstoffgasanteil die homogene Verbrennungsreaktion signifikant stabilisiert, indem die Löschgrenze deutlich herabgesenkt wird. Gleichzeitig kommt es dabei nicht zu einer Erhöhung der Stickoxidbildung.
Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren führt somit zu einem stabilisierten Betrieb der Brennkammer bei vergleichsweise kleiner Brennkammerleistung, zum Beispiel bei Niedriglast oder Teillast, während gleichzeitig bei größerer Brennkammerleistung, zum Beispiel bei Volllast, die Schadstoffemissionen im Vergleich zu einem Betrieb ohne Pilot-Brenner reduziert sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform, kann die Synthesegaserzeugung des Pilot-Brenners durch die dem Pilot-Brenner zugeführte Brennstoffmenge gesteuert werden, während gleichzeitig die dem Pilot-Brenner zugeführte Luftmenge konstant gehalten wird.
Der Wasserstoffgasanteil im Synthesegas wird somit über das dem katalytischen Pilot-Brenner zugeführte Brennstoff/Luft-Verhältnis gesteuert. Bei einer derartigen Vorgehensweise können aufwändige Regelungs- und Steuerungseinrichtungen für die Luftversorgung des Pilot-Brenners eingespart werden.
Auf diese Weise kann für den Brenner und den zugehörigen Pilot-Brenner eine gemeinsame Luftversorgung vorgesehen werden, die so ausgestaltet ist, dass sie die zugeführte Luft mit einer konstanten Aufteilung auf den Brenner und den zugehörigen Pilot-Brenner verteilt. Ein auf diese Weise ausgestalteter Brenner kann vergleichsweise kostengünstig realisiert werden, da auf besagte Regelungs- und Steuerungseinrichtungen für die Luftversorgung des Pilot-Brenners verzichtet werden kann.
Bei einer anderen wichtigen Ausführungsform wird der Brenner so ausgestaltet, dass ein größerer Anteil des Synthesegases bezüglich einer Längsachse des jeweiligen Brenners radial in den Brenner und/oder in die Brennkammer eingebracht wird, während ein kleinerer Anteil des Synthesegases bezüglich der Längsachse axial in den Brenner bzw. in die Brennkammer eingebracht wird. Es hat sich gezeigt, dass bei einer vorwiegend radialen Einbringung des Synthesegases die besten Ergebnisse im Hinblick auf Schadstoffemissionen und Verbrennungsstabilisierung erzielt werden können.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Figurenliste
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,

1 einen stark vereinfachten, prinzipiellen Längsschnitt durch einen Brenner zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2a einen Längsschnitt wie in 1, jedoch bei einer anderen Ausführungsform,
2b einen Querschnitt durch den Brenner gemäß 2a,
3 eine stark vereinfachte axiale Ansicht einer Ringbrennkammer.

Wege zur Ausführung der Erfindung
Entsprechend den 1 und 2a umfasst ein Brenner 1 einer Brennkammer 2 (vgl. 3) zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens einen katalytisch arbeitenden Pilot-Brenner 3. Der Brenner 1 umfasst eine Brennstoffversorgung 4, die hier lediglich durch einen Pfeil angedeutet ist und die im Betrieb des Brenners 1 diesen mit Brennstoff versorgt. Des weiteren ist eine Zusatzbrennstoffversorgung 5 vorgesehen, die ebenfalls durch einen Pfeil symbolisiert ist und die im Betrieb des Brenners 1 den Pilot-Brenner 3 mit Brennstoff versorgt. Außerdem ist eine Luftversorgung 6 vorgesehen, die für den Brenner 1 und dessen Pilot-Brenner 3 gemeinsam vorgesehen ist. Diese gemeinsame Luftversorgung 6 ist auf nicht näher erläuterte Weise so ausgestaltet, dass sie die zugeführte Luft auf den Brenner 1, vergleiche Pfeile 7, und den Pilot-Brenner 3, vergleiche Pfeil 8, verteilt.
Der Brenner 1 dient zur Erzeugung einer homogenen Verbrennungsreaktion in einem Brennraum 9 der Brennkammer 2, der im montierten Zustand stromab des Brenners 1 angeordnet ist. Die Brennkammer 2 dient ihrerseits zur Erzeugung von Heißgasen zur Beaufschlagung einer Gasturbine, insbesondere einer Kraftwerksanlage.
Der Brenner 1 weist außerdem einen Gemischbildungsraum 10 auf, der im montierten Zustand zum Brennraum 9 hin offen ist. Die Luftversorgung 6 bringt die dem Brenner 1 zugeordnete Luftmenge 7 in diesen Gemischbildungsraum 10 ein. Die Einbringung erfolgt hierbei in einer tangentialen Strömung über axial ausgerichtete Spalte in der Brennerwand 11, welche den Gemischbildungsraum 10 bezüglich einer Längsachse 12 des Brenners 1 umfangsmäßig umhüllt. Ebenfalls im Bereich der axialen Spalte zur Einbringung der Verbrennungsluft führt die Brennstoffversorgung 4 die dem Brenner 1 zugeordnete Brennstoffmenge dem Gemischbildungsraum 10 zu, was hier durch mehrere Pfeile 13 symbolisiert ist. Die Brennstoffversorgung 4 erstreckt sich dabei innerhalb der Brennerwand 11. Üblicherweise wird ein derartiger Brenner 1 mager betrieben, um eine möglichst schadstoffarme Verbrennungsreaktion im Brennraum 9 zu erzielen.
Dem katalytisch arbeitenden Pilot-Brenner 3 wird über die Luftversorgung 6 ein bestimmter Anteil der dem Brenner 1 insgesamt zugeführten Luftmenge zugeführt, nämlich die Teilluftmenge 8. Die Zusatzbrennstoffversorgung 5 wird nun so betätigt, dass sich ein fettes Brennstoff/Luft-Gemisch einstellt, das dem Pilot-Brenner 3 zugeführt wird. Durch die Auswahl des jeweiligen Brennstoff/Luft-Verhältnisses sowie der zugehörigen Betriebsparameter erfolgt im Katalysator des Pilot-Brenners 3 eine Teiloxidation des Brennstoffs, bei dem ein Wasserstoffgas enthaltendes Synthesegas als Verbrennungsabgas entsteht. Dieses Synthesegas wird dann entsprechend Pfeilen 14 und 15 vom Pilot-Brenner 3 in den Gemischbildungsraum 10 bzw. in den Brennraum 9 eingebracht. Entsprechend den Pfeilen 14 wird ein Teil des Synthesegases bezüglich der Längsachse 12 im wesentlichen radial in den Gemischbildungsraum 10 eingebracht. Im Unterschied dazu wird gemäß den Pfeilen 15 ein anderer Teil des Synthesegases bezüglich der Längsachse 12 im wesentlichen axial in den Gemischbildungsraum 10 bzw. in den Brennraum 9 eingedüst.
Erfindungsgemäß ist nun der radial eingebrachte Synthesegasanteil 14 größer als der axial eingebrachte Synthesegasanteil 15. Diese spezielle Aufteilung der Synthesegaseinbringung in den Gemischbildungsraum 10 bzw. in den Brennraum 9 beruht auf der Erkenntnis, dass mit Hilfe dieser Verteilung der Synthesegaseindüsung besonders günstige Resultate für eine niedrige Stickoxidproduktion und eine stabilisierende Wirkung für die homogene Verbrennungsreaktion im Brennraum 9 erzielt werden können. Der Pilot-Brenner 3 kann dabei gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beispielsweise so ausgestaltet sein, dass mindestens 50% bis 70% des vom Pilot-Brenner 3 generierten Synthesegases radial in den Gemischbildungsraum 10 eintreten. Dementsprechend liegt der Anteil des Synthesegases, das vom Pilot-Brenner 3 axial in den Gemischbildungsraum 10 bzw. in den Brennraum 9 eingebracht wird, bei höchstens 30% bis 50%.
Darüber hinaus kann es zweckmäßig sein, den Pilot-Brenner 3 außerdem so auszugestalten, dass die radial eingebrachte Synthesegasmenge 14 zumindest teilweise auch eine bezüglich der Längsachse 12 tangentiale Komponente aufweist.
Entsprechend der Ausführungsform gemäß 1 kann der Pilot-Brenner 3 eine Lanze 16 aufweisen. Die Lanze 16 erstreckt sich dabei koaxial zur Längsachse 12 des Brenners 1. Des weiteren steht die Lanze 16 von einem Brennerkopf 17 axial ab und ragt dabei in den Gemischbildungsraum 10 hinein. Zur Verwirklichung der radialen und der axialen Eindüsung des Synthesegases in den Gemischbildungsraum 10 und/oder in den Brennraum 9 verfügt die Lanze 16 über entsprechende, hier nur zum Teil angedeutete radiale Austrittsöffnungen 18 sowie über zumindest eine axiale Austrittsöffnung 19.
Alternativ kann gemäß den 2a und 2b der Brenner 1 bei einer anderen Ausführungsform einen Pilot-Brenner 3 aufweisen, der in die Brennerwand 11 integriert ist. Beispielsweise ist hierzu ein katalytisch aktiver Kanal in die Brennerwand 11 integriert. Ebenso ist es möglich, einen Katalysator weiter stromauf anzuordnen und lediglich die Abgaskanäle in die Brennerwand 11 zu integrieren, die dann das Synthesegas transportieren. Jedenfalls enthält die Brennerwand 11 mehrere radiale Austrittsöffnungen 20, durch welche der größere radiale Synthesegasanteil 14 in den Gemischbildungsraum 10 eintritt. Des weiteren enthält die Brennerwand 11 mehrere axiale Austrittsöffnungen 21, durch welche dann der kleinere axiale Synthesegasanteil 15 in den Brennraum 9 eingedüst werden kann.
Hinsichtlich der Brennstoffversorgung 4 und der Luftversorgung 7 des Brenners 1 arbeitet der in 2a gezeigte Brenner 1 im wesentlichen identisch wie der in 1 gezeigte Brenner 1, wobei die radiale Brennstoffeindüsung 13 in 2a vereinfacht wiedergegeben ist.
Entsprechend 3 umfasst eine Brennkammer 2, die hier als Ringbrennkammer ausgestaltet ist, mehrere Brenner 1, die stromauf des in 3 nicht gezeigten Brennraums 9 ringförmig verteilt angeordnet sind. Jeder dieser Brenner 1 ist mit einem Pilot-Brenner 3 ausgestattet, der katalytisch arbeitet und das wasserstoffgashaltige Synthesegas generieren kann. Üblicherweise ist für sämtliche Brenner 1 eine gemeinsame Luftversorgung 22 vorgesehen, die hier durch einen Pfeil symbolisiert ist. Des weiteren sind die Brenner 1 üblicherweise für die Versorgung mit Brennstoff in Gruppen eingeteilt. Beispielsweise sind zwei Brennergruppen vorgesehen, denen jeweils die Hälfte aller Brenner 1 zugeordnet ist. Jede Brennergruppe verfügt über eine eigene Brennstoffversorgung 23 bzw. 23'. Zweckmäßig sind die Brenner 1 der einen Gruppe wechselweise mit den Brennern 1 der anderen Gruppe angeordnet. In entsprechender Weise können die Pilot-Brenner 3 der einen Gruppe über eine gemeinsame Zusatzbrennstoffversorgung 24 mit Brennstoff versorgt werden, während die Pilot-Brenner 3 der anderen Brennergruppe über eine weitere gemeinsame Zusatz-Brennstoffversorgung 24' mit Brennstoff versorgt werden. Die Luftversorgung innerhalb der einzelnen Brenner 1 erfolgt wieder gemeinsam, und zwar mit einer konstanten Aufteilung der zugeführten Luftmenge auf den jeweiligen Brenner 1 und den zugehörigen Pilot-Brenner 3.
Erfindungsgemäß können die Brenner 1 bei der Brennkammer 2 wie folgt betrieben werden:
Wenn die Brennkammer 2 eine vergleichsweise niedrige Brennkammerleistung erzeugen soll, wird zum einen die Brennstoffversorgung 23 bzw. 23' der Brenner 1 entsprechend reduziert. Zum anderen werden die Pilot-Brenner 3 so angesteuert, dass sie jeweils ein Synthesegas erzeugen, das einen vergleichsweise hohen Anteil an Wasserstoffgas enthält. Dieses Synthesegas wird über die Pilot-Brenner 3 in die Gemischbildungsräume 10 der Brenner 1 bzw. in den Brennraum 9 der Brennkammer 2 eingebracht und bewirkt dort aufgrund seines hohen Wasserstoffgas-Anteils eine Absenkung der Löschgrenze. Im Experiment konnte die Löschgrenze um etwa 100 K abgesenkt werden. Auf diese Weise kann die Verbrennungsreaktion im Brennraum 9 stabil ablaufen, auch wenn die Temperatur im Brennraum 9 aufgrund der reduzierten Brennkammerleistung vergleichsweise niedrig ist. Beispielsweise charakterisiert sich eine niedrige Brennkammerleistung durch eine Austrittstemperatur der Verbrennungsabgase aus dem Brennraum 9 von maximal 1600 K. Die niedrigen Brennraumtemperaturen führen dabei trotz des relativ hohen Wasserstoffgasanteils nicht zu einer Zunahme der Stickoxidbildung.
Für den Fall, dass die Brennkammer 2 eine vergleichsweise hohe Brennkammerleistung abgeben soll, werden zum einen die Brenner 1 mit einer entsprechend erhöhten Brennstoffmenge versorgt. Zum anderen werden die Pilot-Brenner 3 so angesteuert, dass das von ihnen erzeugte Synthesegas einen niedrigeren Anteil an Wasserstoffgas enthält. Die erhöhte Brennstoffzufuhr über die Brenner 1 führt zu einer Anhebung der Temperatur im Brennraum 9, wodurch die Brennkammerleistung zunimmt und die Austrittstemperatur mindestens 1800 K beträgt. Der vergleichsweise niedrige Wasserstoffgasanteil im Synthesegas führt bei hohen Brennraumtemperaturen zu einer signifikanten Absenkung der Stickoxidbildung. Dementsprechend können mit Hilfe der Synthesegaseindüsung die Schadstoffemissionen deutlich reduziert werden. Im Experiment konnte die Stickoxidbildung um etwa 33% reduziert werden.
Vorzugsweise enthält das von den Pilot-Brennern 3 eingedüste Synthesegas bei der niedrigen Brennerkammerleistung einen Wasserstoffgasanteil von mindestens 30 Vol%. Vorzugsweise liegt der Wasserstoffgasanteil bei der niedrigen Brennkammerleistung zwischen 30 Vol% und 50 Vol%. Im Unterschied dazu liegt der Wasserstoffgasanteil im Synthesegas bei hoher Brennkammerleistung bei maximal 30 Vol%, insbesondere in einem Bereich von 5 Vol% bis 30 Vol%.
Die Synthesegasproduktion bzw. der Wasserstoffgasanteil im Synthesegas können bei den katalytisch arbeitenden Pilot-Brennern 3 besonders einfach durch Variation des Brennstoff/Luft-Verhältnisses verändert werden. Dieses Brennstoff/Luft-Verhältnis lässt sich seinerseits besonders einfach durch Variation der den Pilot-Brennern 3 zugeführten Brennstoffmenge verändern, was relativ einfach realisierbar ist. Im Unterschied dazu bleibt die zugeführte Luftmenge im wesentlichen konstant, so dass hier auf aufwändige Steuerungs- und Regelungseinrichtungen verzichtet werden kann.
Durch die erfindungsgemäße Betriebsweise der Brennkammer 2 bzw. deren Brenner 1 wird erreicht, dass die Brennkammer 2 bei niedriger Leistung vergleichsweise stabil betrieben werden kann, wobei gleichzeitig bei hoher Brennkammerleistung die Produktion von Stickoxiden stark reduziert werden kann.
Des weiteren hat die Integration von Pilot-Brennern 3 in die Brenner 1 der Ringbrennkammer 2 einen zusätzlichen wertvollen Vorteil. Bei Ringbrennkammern 2 kommt es üblicherweise zu unerwünschten Wechselwirkungen der einzelnen Brenner 1 untereinander. Diese Wechselwirkungen können zu Pulsationen und somit zu einer unerwünschten Schwingungsbelastung der Bauteile sowie zu einer unerwünschten Geräuschbelastung der Umgebung führen. Des weiteren können die Wechselwirkungen die Stabilität der Verbrennungsreaktionen reduzieren, lokal die Temperatur erhöhen und somit die Stickoxidbildung unterstützen.
Eine Ursache dieser unerwünschten Wechselwirkungen wird darin gesehen, dass die gemeinsame Luftversorgung der Brenner 1 derselben Brennergruppe die einzelnen Brenner 1 nicht exakt mit derselben Luftmenge versorgt, was beispielsweise auf Herstellungstoleranzen zurückzuführen ist. Um dies auszugleichen, ist es grundsätzlich möglich, die Luftversorgung und/oder die Brennstoffversorgung für jeden Brenner 1 separat zu steuern. Dies ist jedoch mit einem enormen Aufwand verbunden. Hier schafft die Ausstattung der Brenner 1 mit den Pilot-Brennern 3 Abhilfe.
Wie erwähnt, kann die den einzelnen Brennern 1 zugeführte Luftmenge von einer idealen Luftmenge oder Sollluftmenge abweichen. Da - wie oben erläutert - die Aufteilung der dem einzelnen Brenner 1 zugeführten Luftmenge auf den Brenner 1 und dessen Pilot-Brenner 3 konstant ist, ändert sich die dem einzelnen Pilot-Brenner 3 zugeführte Luftmenge im gleichen Verhältnis wie die dem einzelnen Brenner 1 zugeführte Gesamtluftmenge. Weicht nun die dem einzelnen Brenner 1 tatsächlich zugeführte Gesamtluftmenge oder Istluftmenge von der gewünschten Sollluftmenge ab, ändert sich dadurch auch die dem jeweiligen Pilot-Brenner 3 zugeführte Luftmenge. Da bei einem stationären Betrieb der Brennkammer 2 die dem Pilot-Brenner 3 zugeführte Brennstoffmenge konstant bleibt, führt eine Änderung der Luftmenge zu einer Änderung des Brennstoff/Luft-Verhältnisses. Das Brennstoff/Luft-Verhältnis korreliert jedoch mit der Synthesegasproduktion bzw. mit dem Wasserstoffgasanteil in dem von den katalytischen Pilot-Brennern 3 generierten Synthesegas.
Für den Fall, dass die Istluftmenge größer ist als die Sollluftmenge, nimmt das Verbrennungsluft/Brennstoff-Verhältnis zu. Ein erhöhtes Verbrennungsluft/Brennstoff-Verhältnis erhöht den Wasserstoffgasanteil im Synthesegas und führt zu einer erhöhten Abgastemperatur des jeweiligen Pilot-Brenners 3, also zu einer erhöhten Synthesegastemperatur. Dies führt dazu, dass der diesem Brenner 1 bzw. diesem Pilot-Brenner 3 zugeordnete Abschnitt der Flammenfront im Brennraum 9 stromauf bewegt wird. Diese lokale Positionsveränderung der Flammenfront erhöht den Druckbfall an diesem Brenner 1, also dessen Strömungswiderstand, und führt in der Folge zu einer Reduzierung der diesem Brenner 1 zugeführten Luftmenge. Auf diese Weise nimmt die Istluftmenge also ab und nähert sich an die Sollluftmenge an.
Wenn anderenfalls die Istluftmenge kleiner ist als die Sollluftmenge, sinkt das Verbrennungsluft/Brennstoff-Verhältnis. Dies führt dazu, dass sich der zugehörige Flammenfrontabschnitt stromab bewegt, wodurch der Druckverlust durch diesen Brenner 1 entsprechend abnimmt. In der Folge kann die Luftströmung durch diesen Brenner 1 wieder zunehmen und die Istluftmenge steigt.
In der Folge kommt es somit an jedem einzelnen Brenner 1 zu einer individuellen, selbsttätig ablaufenden Regelung der Luftmenge auf einen zuvor bei der Auslegung des jeweiligen Brenners 1 festgelegten Wert. Aufwändige Regelungsstrategien, -einrichtungen und dergleichen sind nicht erforderlich.
Gleichzeitig können mit Hilfe der Pilot-Brenner 3 akustische Wechselwirkungen dadurch reduziert werden, dass das Synthesegas in den Brennraum 9 eingebracht wird. Denn die Zuführung von Brennstoffen höherer Reaktivität führt zu einer Absenkung der akustischen Wechselwirkungen.
Bezugszeichenliste

1: Brenner
2: Brennkammer
3: Pilot-Brenner
4: Brennstoffversorgung
5: Zusatz-Brennstoffversorgung
6: Luftversorgung
7: Luftmengenanteil für 1
8: Luftmengenanteil für 3
9: Brennraum
10: Gemischbildungsraum
11: Brennerwand
12: Längsachse von 1
13: Brennstoffmenge
14: radiale Synthesegaseindüsung
15: axiale Synthesegaseindüsung
16: Lanze
17: Brennerkopf
18: radiale Austrittsöffnung
19: axiale Austrittsöffnung
20: radiale Austrittsöffnung
21: axiale Austrittsöffnung
22: Luftversorgung
23: Brennstoffversorgung
24: Zusatz-Brennstoffversorgung

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Brennkammer (2) einer Gasturbine, insbesondere einer Kraftwerksanlage, - wobei die Brennkammer (2) zumindest einen Brenner (1) aufweist, der mit einem katalytischen Pilot-Brenner (3) ausgestattet ist, - wobei der Pilot-Brenner (3) bei einer niedrigen Leistung der Brennkammer (2) so angesteuert wird, dass er als Reaktionsprodukt ein Synthesegas mit einem hohen Anteil an Wasserstoffgas erzeugt, - wobei der Pilot-Brenner (3) bei einer hohen Leistung der Brennkammer (2) so angesteuert wird, dass das erzeugte Synthesegas einen niedrigen Anteil an Wasserstoffgas aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - dass das Synthesegas bei niedriger Brennkammerleistung einen Anteil von mindestens 30 Vol% an Wasserstoffgas enthält.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, - dass bei niedriger Brennkammerleistung der Wasserstoffgasanteil im Synthesegas zwischen 30 Vol% und 50 Vol% liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - dass das Synthesegas bei hoher Brennkammerleistung einen Anteil von höchstens 30 Vol% an Wasserstoffgas enthält.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, - dass bei hoher Brennkammerleistung der Wasserstoffgasanteil im Synthesegas zwischen 5 Vol% und 30 Vol% liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, - dass die Brennkammer (2) bei niedriger Brennkammerleistung eine Austrittstemperatur von maximal 1600 K aufweist, und/oder - dass die Brennkammer (2) bei hoher Brennkammerleistung eine Austrittstemperatur von mindestens 1800 K aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, - dass ein größerer Anteil (14) des Synthesegases bezüglich einer Längsachse (12) des jeweiligen Brenners (1) radial in den Brenner (1) und/oder in die Brennkammer (2) eingebracht wird, und - dass ein kleinerer Anteil (15) des Synthesegases bezüglich der Längsachse (12) axial in den Brenner (1) und/oder in die Brennkammer (2) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, - dass ein Anteil des Synthesegases von mindestens 50% bis 70% radial eingebracht wird, und - dass ein Anteil des Synthesegases von höchstens 30% bis 50% axial eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das radial eingebrachte Synthesegas zumindest teilweise auch eine bezüglich der Längsachse (12) tangentiale Komponente aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für den Brenner (1) und den zugehörigen Pilot-Brenner (3) eine gemeinsame Luftversorgung (6) mit konstanter Aufteilung der Luft auf den Brenner (1) und den Pilot-Brenner (3) vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Synthesegaserzeugung des Pilot-Brenners (3) durch die dem Pilot-Brenner (3) zugeführte Brennstoffmenge gesteuert wird, während die dem Pilot-Brenner (3) zugeführte Luftmenge konstant gehalten wird.