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Die
Erfindung betrifft eine Verbrennungsvorrichtung mit mindestens einem
Brenner, der einen im wesentlichen rechteckigen Einlauf und ein
im wesentlichen rundes Mischrohr aufweist.
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In
EP 0 463 218 B1 ist
ein Brenner beschrieben, der einen Einlauf mit koaxialen Einlässen für Brennstoff
und Luft aufweist. An dem Brennereinlauf schließt sich eine Mischstrecke an,
in der Brennstoffe und Luft sich mischen, bevor das Gemisch in eine Brennkammer
eintritt. Treibstoff und Luft haben einen solchen Strömungsimpuls,
dass eine Verbrennung erst in der Brennkammer stattfindet.
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In
der Patentanmeldung
DE 10
2007 036 953 (nicht vorveröffentlicht) ist ein Brenner
beschrieben, bei dem der Einlauf einen im wesentlichen rechteckigen
Querschnitt hat, wobei zwei parallele Wände eine lichte Weite begrenzen.
Die Mischstrecke bildet einen runden Kanal, dessen Weite größer ist
als die lichte Weite zwischen den parallelen Wänden, so dass in Strömungsrichtung
sich erweiternde Übergangsstufen
gebildet werden. An den Übergangsstufen
entstehen Querströmungen,
durch die der Mischvorgang durch Erhöhung des turbulent diffusen Transports
sowie der Induktion eines konvektiven Sekundärtransportes verbessert wird.
Die Verbrennungsluft wird aus einem Rechteckkanal in einen Kanal
mit rundem Querschnitt überführt. Die
maximale Brennstoffkonzentration am Ausgang der Mischstrecke wird
gering und die Verteilung des Brennstoffs über den Querschnitt des Mischkanals
wird verbessert. Die Folge ist eine Reduktion der thermischen Stickoxidbildung.
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In
DE 689 23 413 T2 ist
eine Kraftstoff-Luftvormischvorrichtung für eine Gasturbine beschrieben,
welche eine Doppelzylinderstruktur aus einem Innenzylinder und einem
Außenzylinder
aufweist. Zwischen beiden Zylindern liegen Strömungswege, in die Kraftstoff
und Luft eingeleitet werden, wodurch in den Strömungswegen ein Kraftstoff-Luft-Gemisch gebildet
wird. Düsen
zum Einspritzen des Kraftstoffs in die Strömungswege sind exzentrisch
zu einer Längsmittelebene
des Strömungsweges
angeordnet. Diese Düsen
können
unabhängig
voneinander gesteuert werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbrennungsvorrichtung
mit verbesserter Durchmischung von Brennstoff und Luft zu schaffen, bei
der die lokale Zusammensetzung des Gemisches aus Brennstoff und
Luft in der Brennkammereintrittsebene, d. h. die Luftzahl, variierbar
ist, um einerseits die NO-Emission gering zu halten und andererseits
ein Verlöschen
der Flamme sowie Flammeninstabilitäten zu vermeiden.
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Die
erfindungsgemäße Verbrennungsvorrichtung
ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Sie ist generell in gleicher
Weise ausgebildet wie in
DE 10
2007 036 953 beschrieben, jedoch ist hiervon abweichend
mindestens eine Brennstofflanze exzentrisch zu einer Längsmittelebene
des Einlaufs angeordnet.
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In
der genannten älteren
Patentanmeldung wurde dargelegt, dass der Grad der Mischung im Austritt
der Brennerdüse
einen wesentlichen Einfluss auf die nachfolgenden Verbrennungsvorgänge in der Brennkammer
hat. Dies gilt insbesondere im Hinblick auf die Stickoxidbildung
(NOx), die ihrerseits maßgeblich durch die lokale Verbrennungstemperatur (Zeldovich
oder thermisches NO) bestimmt ist. Das Ziel einer bestmöglichen
Reduzierung der Stickoxidemission lässt sich erreichen, indem man
durch geeignete Kontrolle der Mischungs- und Verbrennungsprozesse
die Verbrennungstemperatur so gering wie möglich hält. Im Falle von Gasturbinenbrennkammern
wird die Verbrennungstemperatur durch einen Überschuss an Verbrennungsluft
durch den Brenner reguliert. Die maßgebliche Kennzahl ist hierbei
die Luftzahl λ,
gebildet aus dem molaren Verhältnis
von Luft zu Brennstoff, bezogen auf die stöchiometrische Zusammensetzung
(λ = 1).
Für doppelten
Luftüberschuss
beispielsweise gilt dann λ =
2. Im Brenner selbst werden Brennstoff und Luft zusammengeführt und
es entstehen zunächst
auch bei hohem Luftüberschuss
stöchiometrische
Bereiche. Das Mischungsverhalten eines Brenners lässt sich
nun dadurch charakterisieren, in welchem Maße auftretende λ-Inhomogenitäten im Brenner
vor Eintritt in die Brennkammer abgebaut werden. Im besten Fall
erreicht man ein homogenes Profil mit dem λ-Wert der zugeordneten globalen
Mischung. Die entsprechende adiabate Verbrennungstemperatur der
globalen Mischung kann somit als die untere Grenze der optimaler
Weise zu erreichenden maximalen Verbrennungstemperatur angesehen
werden, vorausgesetzt es findet kein zusätzlicher Wärmeentzug statt. Der Grad der Annäherung an
diesen Idealzustand charakterisiert die Mischungsgüte eines
Brenners. Dieses Konzept konnte erfolgreich für eine thermische Leistung
von ca. 800 kW bei einem λ-Wert von 1.6 und
einer zugeordneten Leistungsdichte von ca. 13.6 MW/(m2 bar) bezogen
auf die Fläche
der Brennkammerkopfplatte) auf dem Prüfstand realisiert werden.
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In
der vorliegenden Erfindung wird nun das Problem der Leistungsmodulation über einen
möglichst
breiten λ Bereich
durch Brennstoffvariation bei konstantem Luftmassenstrom adressiert.
Die untere λ-Grenze
ist durch die maximal tolerierbare NO-Emission und damit durch die
maximale Flammentemperatur bestimmt. Für λ = 1.6 liegt die NO-Emission
bei ca. 10 ppm (bezogen auf 15% O2 im Brennkammeraustritt).
Die zugeordnete adiabate Flammentemperatur der globalen Mischung
liegt hier bei ca. 2000 K. Bei kleineren λ-Werten ist ein drastischer
Anstieg der NO-Emission und auch CO- Emissionen (Gleichgewicht) zu verzeichnen.
Es zeigt sich also, dass im niedrigen λ-Bereich, d. h. im Volllastbereich,
die Mischung extrem wichtig ist. Weiterhin scheint es plausibel,
dass bei Erhöhung
von λ, d.
h. bei Abmagerung des Gemisches, die Flamme irgendwann verlöschen wird.
Die Annäherung
an das Flammenverlöschen
wird im Normalfall durch einen extrem starken Anstieg der CO-Emission
angekündigt.
Diese so definierte Verlöschgrenze
ist bei ansonsten gleichen Betriebsbedingungen abhängig von der
jeweils betrachteten Leistungsdichte. Während im obigen Fall der Leistungsdichte
von 13.6 MW/(m2 bar) (bei λ = 1.6) die
Verlöschgrenze
bereits bei ca. λ =
1.8 erreicht wird, liegt diese für
eine kleinere Leistungsdichte von 3.2 MW/(m2 bar)
bei nahezu λ =
3.0. Die Erfindung zeigt eine Möglichkeit,
wie die Verlöschgrenze
auch für
sehr hohe Leistungsdichten nach oben verschoben und damit eine sehr
breite Leistungsmodulation bewirkt werden kann.
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Mit
Erhöhung
des globalen λ-Wertes
steigen in der oben beschriebenen Abhängigkeit die Zündverzugszeiten
dermaßen
an, dass ein frühzeitiges Flammenverlöschen eintritt.
Wenn man so will, ist in diesem Fall die Mischung ”zu gut”. Diesem
Effekt kann man entgegenwirken, indem man die Brennstofflanze exzentrisch
zur Mischrohrachse in Richtung der Brennkammerachse verschiebt.
Damit wird die maximale lokale Brennstoffkonzentration erhöht und die
Flamme verlischt erst bei entsprechend höherem λ. Der Nachteil ist, dass im
Hauptlastfall (λ = 1.6)
die maximale Flammentemperatur ebenfalls und damit auch die thermische
NO-Produktion ansteigt. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht
darin, die jeweiligen Vorteile der zentrischen und exzentrischen
Positionierung der Brennstoffeingabe durch Hinzunahme einer zweiten
Brennstofflanze miteinander zu kombinieren. Dabei lassen sich beide
Lanzen über
separate Zufuhrsysteme unabhängig
voneinander mit Brennstoff versorgen. Der Abstand der Lanzen zueinander
und auch deren radiale Position in Bezug auf die Brennkammerachse
ist in einem gewissen Rahmen variierbar und kann jeweils spezifischen
konstruktiven Erfordernissen angepasst werden.
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Die
Erfindung eignet sich insbesondere für eine Verbrennungsvorrichtung
für Gasturbinen,
bei der mehrere Brenner ringförmig
angeordnet sind und in eine gemeinsame Brennkammer einmünden.
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Im
Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine Stirnansicht und eine Seitenansicht
eines Brenners mit rechteckiger Mischstrecke und rundem Mischrohr,
wobei zwei Brennstofflanzen exzentrisch angeordnet sind,
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2 in gleicher Darstellung wie 1 eine Ausführungsform, bei der eine Brennstofflanze
zentrisch und eine andere Brennstofflanze exzentrisch angeordnet
ist,
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3 eine
Darstellung einer Brennkammer mit mehreren ringförmig angeordneten Brennern, wobei
die Positionen der Brennstofflanzen erkennbar sind und
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4 das Prinzip eines modulierenden Brenners
mit unterschiedlichen Brennstoffzufuhren zu den beiden Brennstofflanzen.
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In 1 ist ein Brenner 10 dargestellt,
der einen rechteckigen Einlauf 11 und daran anschließend ein
rundes Mischrohr 12 aufweist. Zwischen Einlauf 11 und
Mischrohr 12 befindet sich ein Übergang 13. Der Einlauf 11 ist
von rechteckigem Querschnitt. Er weist zwei parallele Längswände 14, 15 auf,
zwischen denen mittig die Längsmittelebene 16 definiert ist.
Die beiden Längswände sind
durch Querwände 17, 18 verbunden.
Der Durchmesser des Mischrohres 12 ist größer als
die Quer-Ausdehnung des Einlaufs 11, jedoch kleiner als
die Längs-Ausdehnung.
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Gemäß 1 verlaufen durch den Einlauf 11 zwei
Brennstofflanzen L1, L2. Jede der Brennstofflanzen besteht aus einem
Rohr, durch das Brennstoff zugeführt
werden kann. Die Brennstofflanzen L1, L2 haben jeweils einen Einlass 20 und
einen Auslass 21, der in das Mischrohr 12 mündet. Um
die Brennstofflanzen herum befindet sich ein Luftkanal 22 mit
einem Einlass 27.
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Gemäß 1 sind die beiden Lanzen L1, L2 im Abstand
von der Längsmittelebene 16 angeordnet,
also ”exzentrisch”. Die beiden
Brennstofflanzen sind symmetrisch zur Längsmittelachse vorgesehen.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
von 2 ist die Brennstofflanze L1 zentrisch
angeordnet, d. h. mit ihrer Achse in der Längsmittelebene 16.
Die Brennstofflanze L2 ist exzentrisch angeordnet, also im Abstand
von der Längsmittelebene 16.
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3 zeigt
ein Ringbrennersystem, wie es in stationären Gasturbinen zur Anwendung
kommt. Zahlreiche Brenner 10 der beschriebenen Art sind ringförmig angeordnet
und sie münden
in eine gemeinsame Brennkammer 23. Die Brennkammer ist hier
rund und sie weist eine Brennkammerachse 24 auf. Die Einläufe 11 der
Brenner 10 sind hier nicht exakt rechteckig. Sie bilden
vielmehr einen Ring und sind daher um die Achse 24 gebogen.
In 3 sind auch die Mischrohre 12 dargestellt,
die in die Brennkammer 23 münden. Die Flammen entstehen
in Strömungsrichtung
hinter den Mischrohren 12 in der Brennkammer 23.
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Gemäß 3 enthält jeder
Einlauf 11 zwei Brennstofflanzen L1, L2, die in gleicher
Weise angeordnet sind wie in 1.
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4 zeigt unterschiedliche Betriebszustände eines
Brenners 10, der mit zwei Brennstofflanzen gemäß 1 ausgestattet ist. Die Zufuhr von Brennstoff
zu den Brennstofflanzen L1, L2 ist jeweils separat steuerbar. Die
Pfeile F1 und F2 bezeichnen die Brennstoffzufuhr zu den Brennstofflanzen
und der Pfeil S bezeichnet die Luftzufuhr. In 4 ist
die Verteilung des gasförmigen
Brennstoffs auf einer Längsschnittebene
durch die Brennerachse und die Brennkammerachse 24 aufgetragen.
Durch anteilmäßig unterschiedliche
Beaufschlagung der beiden Brennstofflanzen lässt sich kontinuierlich die
Ausbildung und Lage der Flammenfront 25 verändern. Dabei wird
die sich in der Brennkammer 23 ergebende Rezirkulationsströmung 26 durch
Wärmefreisetzung
in der Flammenfront 25 in dem Maße aufgeheizt, dass das in
die Brennkammer eintretende Brennstoff/Luft-Gemisch eine genügende Vorwärmung erfährt. Dadurch
wird die Zündverzugszeit
reduziert und das Flammenverloschen verhindert.
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In 4 zeigt die Darstellung a) den Zustand,
dass die äußere Brennstofflanze
L1 mit 100% der Brennstoffmenge beaufschlagt ist, während die innere
Brennstofflanze L2 gesperrt ist. Die Darstellung b) zeigt ein Verhältnis von
50:50 und die Darstellung c) ein Verhältnis von 0:100. Als Brennstoff
wird beispielsweise CH4 benutzt. Man erkennt,
dass durch Änderung
der Brennstoffanteile die Flammenfront 25 verändert werden
kann. Dadurch wird die Zündverzugszeit
reduziert und das Flammenverloschen verhindert. Auf diese Weise
kann die Flammentemperatur für
jedes λ derart
eingestellt werden, dass die Flamme gerade nicht verlischt und gleichzeitig
eine geringstmögliche
NO-Produktion stattfindet.
Besonderes Augenmerk ist hierbei auf die Tatsache zu richten, dass
bei Annäherung
an die Verlöschgrenze
ein extrem starker Anstieg der CO-Produktion, gegenläufig zur
NO-Produktion, einsetzt und der Ausbrand nicht mehr vollständig ist.
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Bei
einem Simulationsbeispiel hat sich ergeben, dass die NO-Emission
im gesamten Leistungsbereich unter 10 ppm (bezogen auf 15% O2) liegt und bei λ = 2.4 einen Minimalwert von
2.7 ppm annimmt. Neuere Simulationen mit der exzentrischen Anordnung
von 2 deuten darauf hin, dass der
Modulationsbereich über λ = 3.0 hinaus
noch erweitert werden kann. Insgesamt ergibt sich, dass mit dem
erfindungsgemäßen Brenner
die Verbrennung als sehr schadstoffarm eingestuft werden kann.