DE102008026459A1

DE102008026459A1 - Brenner, insbesondere für eine Verbrennungseinrichtung in einer Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE102008026459A1
Application number: DE200810026459
Authority: DE
Inventors: Peter Kowalewski
Original assignee: EOn Ruhrgas AG
Current assignee: Nuovo Pignone SpA
Priority date: 2008-06-03
Filing date: 2008-06-03
Publication date: 2009-12-10

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brenner, insbesondere für eine Verbrennungseinrichtung in einer Gasturbinenanlage, mit einem Brennerkammergehäuse, welches einen Deckel (6) mit mindestens einer primären Brennstoffdüse (7) aufweist, wobei der primären Brennstoffdüse (7) mittels einer Brennstoffleitung (2) Brennstoff zugeführt wird, wobei die Brennstoffdüse an ihrem austrittsseitigen Ende mindestens eine Brennstoff-Austrittsöffnung (22) aufweist, durch die Brennstoff in einen Verbrennungsluftstrom geführt wird. Erfindungsgemäß ist in der primären Brennstoffdüse (7) stromauf der Brennstoff-Austrittsöffnung (22) ein plattenförmiges Element (24) angeordnet. Das plattenförmige Element (24) weist mehrere Durchlass-Öffnungen (25) für den Brennstoff auf. Die Durchlass-Öffnungen (25) sind in mindestens zwei konzentrischen Ringen und die in radialer Richtung versetzt zueinander angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brenner, insbesondere für eine Verbrennungseinrichtung in einer Gasturbinenanlage, mit einem Brennerkammergehäuse, welches einen Deckel mit mindestens einer primären Brennstoffdüse aufweist, wobei der primären Brennstoffdüse mittels einer Brennstoffleitung Brennstoff zugeführt wird, wobei die Brennstoffdüse an ihrem austrittsseitigen Ende mindestens eine Brennstoff-Austrittsöffnung aufweist, durch die Brennstoff in einen Verbrennungsluftstrom geführt wird.
Gasturbinen mit derartigen Brennern werden beispielsweise als Antriebsmaschinen von Verdichtern in Erdgas-Fernleitungsnetzen eingesetzt, um die beim Transport von Erdgas entstehenden Druckverluste auszugleichen.
Eine derartige Verbrennungseinrichtung ist aus der US 4 292 801 bekannt, deren Offenbarungsgehalt zum Bestandteil der Offenbarung dieser Erfindung erklärt wird. Im niedrigen Lastbereich bildet sich eine primäre Verbrennungszone aus, während im hohen Lastbereich die Verbrennung in einer sekundären Verbrennungszone stattfindet. Bei diesem Betriebszustand bildet die mittig angeordnete sekundäre Brennstoffdüse die Flammenquelle für den Betrieb des Brenners. Mit dem zweistufigen Verbrennungsverfahren wird ein NO_x-armer Betrieb möglich. Allerdings wird angestrebt, die NO_x-Emissionen weiter zu senken, weil die gesetzlich vorgegebenen Emissionsgrenzwerte gesenkt werden.
Die primären Brennstoffdüse ist als Diffusionsdüse ausgebildet. Die Brennstoffdüse ragt durch den Deckel des Brennkammergehäuses in ein Flammrohr hinein. Jede Brennstoffdüse ist an eine Brennstoffleitung angeschlossen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Brenner derart konstruktiv zu verbessern, dass die NO_x-Emissionen weiter gesenkt werden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in der primäre Brennstoffdüse stromauf der Brennstoff-Austrittsöffnung ein plattenförmiges Element angeordnet ist, dass das plattenförmige Element mehrere Durchlass-Öffnungen für den Brennstoff aufweist, die in mindestens zwei konzentrischen Ringen und die in radialer Richtung versetzt zueinander angeordnet sind.
Das plattenförmige Element dient zur Einstellung des Brennstoffdurchflusses unabhängig von der Form, der Anzahl und der Dimensionierung der Brennstoff-Austrittsöffnung. Das plattenförmige Element wirkt als Blende im Brennstoffstrom. Mittels einer Differenzdruckmessung kann der Brennstoffdurchsatz auf einfache Weise gemessen werden. Die in konzentrischen Ringen angeordneten Durchlassöffnungen erzeugen eine Vielzahl von Brennstoffstrahlen. Versuche haben gezeigt, dass mit der Aufteilung des Brennstoffstroms in möglichst viele Strahlen stromauf des Austritts des Brennstoffs in den Verbrennungsluftstrom eine sehr homogene Vermischung von Brennstoff und Verbrennungsluft erreicht wird. Eine gute Vermischung von Brennstoff und Verbrennungsluft verhindert Temperaturspitzen bei der Verbrennung und somit die Entstehung von NO_x-Emissionen. Ausserdem hat sich gezeigt, dass durch die Aufteilung des Brennstoffstroms in eine Vielzahl von Strahlen verhindert wird, dass Pulsationen aufgrund der Verbrennung auf den Brenngasstrom übertragen werden.
Ferner weist das plattenförmige Element vorzugsweise eine zentrale Durchlass-Öffnung auf, die zum Kalibibrieren genutzt werden kann, um Unterschiede zwischen den Diffferenzdrucken der primären Brennstoffdüsen auszugleichen. Falls der Durchsatz einer oder mehrerer primären Brennstoffdüsen verändert werden muss, um die Verteilung des Brennstoffs auf alle primären Brennstoffdüsen zu vergleichmäßigen, kann der Durchtrittsquerschnitt der zentralen Öffnung kalibriert werden. Der Durchsatz kann so auf einfache Weise verändert werden, ohne dass sich das symetrische Strömungsprofil negativ verändert.
Eine vorzugsweise Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel des Brennkammergehäuses mehrere primäre Brennstoffdüsen aufweist, die kreisförmig um eine mittig angeordnete sekundäre Brennstoffdüse angeordnet sind, dass sich jede primäre Brennstoffdüse stromab des plattenförmiges Elements kegelstumpfförmig verjüngt und an ihrem Umfang mehrere Brennstoff-Austrittsöffnungen aufweist, die in eine Luftverwirbelungseinrichtung münden, welche das ausgangsseitige Ende der primären Brennstoffdüse radial umgibt.
In der Praxis hat sich gezeigt, dass sich die Drücke und damit die Brennstoff-Massenströme in den einzelnen primären Brennstoffdüsen unterscheiden können. Dadurch besteht die Gefahr, dass Temperaturspitzen entstehen, die einen Anstieg von Stickoxiden (NO_x) im Abgas zur Folge haben. Außerdem ist die Verrohrung zur Versorgung der primären Brennstoffdüsen mit Brennstoff konstruktiv aufwändig und wartungsintensiv. Um diesen Nachteil zu vermeiden, sind nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung die primären Brennstoffdüsen an einen ringförmigen Brennstoff-Kanal angeschlossen, der von der Brennstoffleitung ge speist wird. Vorzugsweise ist der ringförmige Brennstoff-Kanal im Deckel des Brennkammergehäuses ausgebildet.
Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre Brennstoffdüse als Brennstofflanze ausgebildet ist, die die primären Brennstoffdüsen in Strömungsrichtung überragt, dass die Brennstofflanze erste Brennstoff-Austrittsöffnungen aufweist und an ihrem stromabwärts gelegenen Ende mit einer Frontplatte versehen ist, dass die Frontplatte eine zentrale zweite Brennstoff-Austrittsöffnung aufweist, welche von mindestens drei auf einem Kreis angeordneten ersten Kühlmittel-Öffnungen umgeben ist, dass die ersten Kühlmittel-Öffnungen unter einem Winkel zur Achse der Brennstofflanze verlaufen und dass die Frontplatte zweite Kühlmittel-Öffnungen aufweist, die in konzentrischen Ringen angeordnet sind, wobei die zweiten Kühlmittel-Öffnungen parallel zur Achse der Brennstofflanze verlaufen.
Von der Brennstofflanze zweigen diametral Röhrchen ab, die erste Brennstoff-Austrittsöffnungen aufweisen. Die Brennstoff-Austrittsöffnungen münden in einen Ringspalt, der sich zwischen dem Zentralkörper und der Brennstofflanze bildet. Die Brennstofflanze weist stromaufwärts der primären Brennstoffdüsen eine axiale Frontplatte auf, die mittig eine zweite Brennstoff-Austrittsöffnung für eine Halteflamme aufweist. Aus den drei ersten axialen Kühlmittelöffnungen, die unter einem Winkel zur Achse der Brennstofflanze angeordnet sind, strömt ein Kühlmittel, vorzugsweise Luft, unter einem Drall aus und kühlt gezielt die Halteflamme. Aus den zweiten Kühlmittel-Öffnungen tritt ebenfalls das Kühlmittel aus, um die sich an der sekundären Brennstoffdüse bildenden Flamme von der Frontplatte fernzuhalten, mit dem Ziel, die Frontplatte vor Überhitzung und Materialabtrag zu schützen. Temperaturspitzen und somit erhöhte NO_x-Emissionen im Abgas werden ebenfalls verhindert.
Die Erfindung beinhaltet ferner eine Gasturbinenanlage mit einer Verbrennungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Verbrennungseinrichtung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt in
1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Verbrennungseinrichtung;
2 eine perspektivische Ansicht des Brennkammergehäusedeckels der erfindungsgemäßen Verbrennungseinrichtung;
3 eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer sekundären Brennstoffdüse;
4 eine schematische perspektivische Darstellung einer primären Brennstoffdüse;
5 eine teilweise Darstellung eines Schnitts durch eine primären Brennstoffdüse;
6 eine schematische perspektivische Sicht auf ein plattenförmiges Element einer primären Brennstoffdüsen.
Eine Verbrennungseinrichtung für eine Gasturbine weist mindestens einen Brenner 1 auf, der an eine Brennstoffleitung 2 in Form einer Erdgasleitung und eine Verbrennungsluftleitung 3 angeschlossen ist. Der Brenner weist in einem Brennkammergehäuse 4 ein koaxial angeordnetes Flammrohr 5 auf.
Das Brennkammergehäuse 4 weist an einem axialen Ende einen in 2 in Detail dargestellten Brennkammergehäusedeckel 6 mit fünf primären Brennstoffdüsen 7 auf, von denen in 2 eine dargestellt ist. Die primären Brennstoffdüsen 7 sind auf einem Kreis um eine mittige sekundäre Brennstoffdüse 8 angeordnet, welche in 3 gesondert dargestellt ist. Die primären Brennstoffdüsen sind an einen Brennstoff-Kanal 9 angeschlossen. Der Brennstoff-Kanal 9 wird von der Brennstoffleitung 2 mit Brennstoffversorgt.
In 1 ist dargestellt, dass das Flammrohr 5 zwischen einer primären Verbrennungszone 10a und einer sekundären Verbrennungszone 10b eine Querschnittsverengung 11 aufweist, um das Zurückschlagen der Flamme, die sich an der sekundären Brennstoffdüse 8 ausbildet, zu verhindern. In Abhängigkeit vom Lastzustand findet die Verbrennung entweder ausschließlich in der primären und/oder in der sekundären Verbrennungszone statt. Die sekundäre Brennstoffdüse 8 ist von einem hohlzylinderförmigen Zentralkörper 12 umgeben.
Die sekundäre Brennstoffdüse 8 ist als Brennstofflanze ausgebildet, die in 3 dargestellt ist. Von der Brennstofflanze 8 gehen radial angeordnete erste Brennstoffdüsen 16 ab. Die Brennstoffdüsen münden in einen in 1 zu erkennenden Ringspalt 17, der sich zwischen Zentralkörper und der Brennstofflanze bildet. Die sekundäre Brennstoffdüse weist eine axiale Frontplatte 18 auf, die eine zentrale zweite Brennstoffdüse 19 für eine Halteflamme aufweist. Aus mindestens drei ersten Kühlmittel-Öffnungen 20, die unter einem Winkel zur Achse der Brennstofflanze 8 angeordnet sind, strömt ein Kühlmittel, vorzugsweise Luft, unter einem Drall aus und kühlt gezielt die Halteflamme. Der übrige Bereich der Frontplatte 18 weist vorzugsweise in konzentrischen Ringen angeordnete zweite Kühlmittelöffnungen 21 auf, durch die das Kühlmittel ebenfalls austritt, um die sekundäre Flamme von der sekundären Brennstoffdüse fernzuhalten und die Frontplatte vor Überhitzung und Materialabtrag zu schützen.
4 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung einer primären Brennstoffdüse. Jede primäre Brennstoffdüse weist mindestens eine Brennstoff-Austrittsöffnung auf, die in einem Luftverwirbelungselement 23 mündet. Stromauf der Brennstoff-Austrittsöffnung 22, die in 5 dargestellt sind, ist im Weg des Brennstoffes ein plattenförmiges Element 24 angeordnet, das mehrere Durchlass-Öffnungen 25 für den Brennstoff aufweist. Die Durchlass-Öffnungen 25 sind in mindestens zwei konzentrischen Ringen angeordnet. In radialer Richtung benachbarte Durchlass-Öffnungen 25 sind versetzt zueinander angeordnet.
6 zeigt eine schematische perspektivische Sicht auf das plattenförmiges Element 24. Dieses weist eine zentrale Durchlass-Öffnung 26 auf, die zum Kalibrieren dient, um Unterschiede im Brenngasdurchfluss der primären Brennstoffdüsen auszugeleichen. Falls der Durchsatz einer oder mehrerer primären Brennstoffdüsen 7 verändert werden muss, um die Verteilung des Brennstoffs auf alle primären Brennstoffdüsen 7 zu vergleichmäßigen, kann auf Durchtrittsquerschnitt der zentralen Durchlass-Öffnung 26 vergrößert werden. Der Brennsstoffdurchsatz kann so auf einfache Weise verändert werden, ohne dass sich das symetrischen Strömungsprofil negativ verändert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 4292801 [0003]

Claims

Brenner, insbesondere für eine Verbrennungseinrichtung in einer Gasturbinenanlage, mit einem Brennerkammergehäuse, welches einen Deckel (6) mit mindestens einer primären Brennstoffdüse (7) aufweist, wobei der der primären Brennstoffdüse (7) mittels einer Brennstoffleitung (2) Brennstoff zugeführt wird, wobei die Brennstoffdüse an ihrem austrittsseitigen Ende mindestens eine Brennstoff-Austrittsöffnung (22) aufweist, durch die Brennstoff in einen Verbrennungsluftstrom geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der primäre Brennstoffdüse (7) stromauf der Brennstoff-Austrittsöffnung (22) ein plattenförmiges Element (24) angeordnet ist, dass das plattenförmige Element (24) mehrere Durchlass-Öffnungen (25) für den Brennstoff aufweist, dass die Durchlass-Öffnungen (25) in mindestens zwei konzentrischen Ringen und die in radialer Richtung versetzt zueinander angeordnet sind.
Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das plattenförmige Element (24) eine zentrale Durchlass-Öffnung (26) aufweist.
Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (6) des Brennkammergehäuses (4) mehrere primäre Brennstoffdüsen (7) aufweist, die kreisförmig um eine mittig angeordnete sekundäre Brennstoffdüse (8) angeordnet sind, dass sich jede primäre Brennstoffdüse (7) stromab des plattenförmiges Elements (24) kegelstumpfförmig verjüngt und an ihrem Umfang mehrere Brennstoff-Austrittsöffnung (22) aufweist, die in einem Luftverwirbelungselement münden, welches das ausgangsseitige Ende der primären Brennstoffdüsen (7) radial umgibt.
Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffleitung (2) an einen ringförmigen Brennstoff-Kanal (9) angeschlossen ist, von dem die primären Brennstoffdüsen (7) abgehen.
Brenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Brennstoff-Kanal (9) im Deckel des Brennkammergehäuses (4) ausgebildet ist.
Brenner nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre Brennstoffdüse (8) als Brennstofflanze ausgebildet ist, die die primären Brennstoffdüsen (7) in Strömungsrichtung überragt, dass die Brennstofflanze (8) erste Brennstoff-Austrittsöffnungen (16) aufweist und an ihrem stromabwärts gelegenen Ende mit einer Frontplatte (18) versehen ist, dass die Frontplatte (18) eine zentrale zweite Brennstoff-Austrittsöffnung (19) aufweist, welche von mindestens drei auf einem Kreis angeordneten ersten Kühlmittel-Öffnungen (20) umgeben ist, dass die ersten Kühlmittel-Öffnungen unter einem Winkel zur Achse der Brennstofflanze (8) verlaufen und dass die Frontplatte (18) zweite Kühlmittel-Öffnungen (21) aufweist, die in konzentrischen Ringen angeordnet sind, wobei die zweiten Kühlmittel-Öffnungen parallel zur Achse der der Brennstofflanze verlaufen.
Gasturbinenanlage mit einem Brenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6.