DE10334228A1

DE10334228A1 - Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10334228A1
Application number: DE2003134228
Authority: DE
Inventors: Karin Dr. Bengtsson; Stefano Dr. Bernero; Peter Dr. Flohr; Christian Motz; Christian Oliver Dr. Paschereit; Markus Wiedmann; Arne Wolframm; Martin Zajadatz
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: GE Vernova GmbH
Priority date: 2002-08-19
Filing date: 2003-07-28
Publication date: 2004-03-04

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners, der eine erste Gruppe (I) von Eindüsungsöffnungen (1a) für Vormisch-Brennstoff und eine zentrale Brennstoffeindüsung (4) mit mehreren weiteren Eindüsungsöffnungen (2a, 3a) für Brennstoff aufweist, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens. Bei dem Verfahren werden eine zweite (II) und eine dritte Gruppe (III) der weiteren Eindüsungsöffnungen (2a, 3a) derart gewählt und unabhängig voneinander mit gasförmigem Brennstoff beaufschlagt, dass die zweite Gruppe (II) eine Vormischstufe und die dritte Gruppe (III) eine Diffusionsstufe des Vormischbrenners bilden. Mit dem vorliegenden Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung lässt sich ein erweiterter Betriebsbereich eines Vormischbrenners bei geringen Schadstoffemissionen realisieren.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners, der eine erste Gruppe von Eindüsungsöffnungen für Vormisch-Brennstoff und eine zentrale Brennstoffeindüsung mit mehreren weiteren Eindüsungsöffnungen für Brennstoff aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens. Das Verfahren kann für sämtliche bekannte Vormischbrenner mit einer zentral angeordneten Pilotierungsstufe eingesetzt werden, wie sie insbesondere in der Gas- und Dampfturbinentechnik zum Einsatz kommen.

Stand der Technik

Brennersysteme, die nach dem Konzept der mageren Vormischverbrennung betrieben werden, weisen niedrige Schadstoffemissionen aber auch einen deutlich eingeschränkten Stabilitätsbereich auf. Neben der Gefahr eines Flammenrückschlags (flash back) in die Mischzone des Brenners und des Abhebens und Verlöschens der Vormischflamme führen auch thermoakustische Schwingungen zu deutlichen Einschränkungen im Betriebsverhalten. Zur Verminderung dieser Problematik weisen Vormischbrenner in der Regel eine weitere zentrale Brennstoffeindüsung auf, um einen erweiterten Betriebsbereich des Brenners zu erreichen. Durch die aus Gründen der Symmetrie zentral angeordnete zusätzliche Brennstoffeindüsung, die in der Regel als Diffusions- bzw. Pilotierungsstufe ausgelegt ist, wird der Brennstoff direkt der zur Flammenstabilisierung erforderlichen Zone zugeführt. Dieser Brennstoff verbrennt dort jedoch in einem für den. Schadstoffausstoß äußerst ungünstigen Mischungsverhältnis unter nahezu stöchiometrischen Bedingungen. Die Pilotierungsstufe wird daher im oberen Lastbereich des Brenners üblicherweise abgeschaltet, um die Schadstoffemissionen in Grenzen zu halten. Die Abschaltung der Pilotierungsstufe erfordert jedoch eine technisch aufwendige Spülung der Brennstoffzufuhr von brennbaren Rückständen, um ein Rückschlagen der Flamme in diese Zuleitungen zu vermeiden.

Ein derartiger Vormischbrenner ist bspw. aus der EP 0 321 809 B1 bekannt. Hierbei handelt es sich um einen sog. Doppelkegelbrenner, der einen aus mehreren Schalen zusammengesetztem Drallerzeuger für einen Verbrennungsluftstrom und Mittel zur Einbringung von Brennstoff in den Verbrennungsluftstrom aufweist. Durch den kegelförmigen Drallerzeuger wird eine geschlossene Drallströmung in einem Drallraum erzeugt, welche aufgrund des in Richtung des Brennraums zunehmenden Dralls instabil wird und in eine ringförmige Drallströmung mit Rückströmung im Kern übergeht. Die Schalen des Drallerzeugers sind derart zusammengesetzt, dass entlang der Brennerachse tangentiale Lufteintrittsschlitze für Verbrennungsluft gebildet werden. An der Einströmkante der Kegelschalen an diesen Lufteintrittsschlitzen sind Zuführungen für das Vormischgas, d. h. den gasförmigen Brennstoff, vorgesehen, die entlang der Richtung der Brennerachse verteilte Eindüsungsöffnungen für das Vormischgas aufweisen. Das Gas wird durch diese Eindüsungsöffnungen quer zum Lufteintrittsspalt eingedüst. Diese Eindüsung führt in Verbindung mit dem im Drallraum erzeugten Drall der Verbrennungsluft-Brenngas-Strömung zu einer guten Durchmischung des Brenn- bzw. Vormischgases mit der Verbrennungsluft. Eine gute Durchmischung ist bei diesen Vormischbrennern die Voraussetzung für niedrige NO_x-Werte beim Verbrennungsvorgang. Der Brenner weist weiterhin eine zentrale Brennstoffeindüsung für flüssigen Brennstoff auf, mit der der Brenner zusätzlich beim Start und zumindest im unteren Lastbereich zur Flammenstabilisierung betrieben wird.

Die W0 93/17279 zeigt einen weiteren bekannten Vormischbrenner, bei dem ein zylindrischer Drallerzeuger mit einem konischen Innenkörper eingesetzt wird. Bei diesem Brenner wird das Vormischgas ebenfalls über Zuführungen mit entsprechenden Eindüsungsöffnungen in den Drallraum eingedüst, die entlang der axial verlaufenden Lufteintrittsschlitze angeordnet sind. Auch dieser Brenner weist im konischen Innenkörper zusätzlich eine zentrale Zuführung für Brenngas auf, das nahe dem Brennerende austritt und zur Pilotierung dient. Die zusätzliche Pilotierungsstufe wird beim Anfahren des Brenners sowie zur Erweiterung des Betriebsbereiches betrieben.

Eine weitere mögliche Betriebsart eines Vormischbrenners, insbesondere für die Verbrennung in Gasturbinen, nutzt ein zweistufiges Verbrennungskonzept. Dabei wird die zentrale Brennstoffeindüsung zumindest für den oberen Lastbereich so ausgelegt, dass sich der durch beide Eindüsungsstufen zugegebene Brennstoff gleichmäßig im Strömungsfeld des Brenners verteilt. Da bei diesem Verbrennungskonzept beide Brennstoffeindüsungsstufen für den gesamten Betriebsbereich des Brenners eingesetzt werden, entfällt die bei der konventionellen Pilotierung erforderliche Spülung der Brennstoffzuleitungen. Die Erweiterung des Stabilitätsbereiches im unteren Lastbereich wird bei diesem Verfahren durch deutlich unterschiedliche und damit möglichst inhomogene Brennstoffverteilungen in den beiden Eindüsungsstufen erreicht. Die beiden Brennstoffeindüsungsstufen dieses zweistufigen Verbrennungskonzeptes können daher in der Regel nicht über den gesamten Lastbereich des Brenners optimal ausgelegt werden.

Die WO 01/96785 A1 zeigt ein Beispiel für ein derartiges Verfahren zum Betrieb eines Brenners. Bei diesem in Form eines Doppelkegelbrenners ausgebildeten Vormischbrenner ist die erste Eindüsungsstufe in bekannter Weise durch eine an den Brennerschalen ausgebildete Gruppe von Eindüsungsöffnungen gegeben. Die zweite Eindüsungsstufe wird durch eine Gruppe von weiteren Eindüsungsöffnungen in der zentralen Brennstoffeindüsung, einer Brennstofflanze, gebildet. Beide Eindüsungsstufen werden über den gesamten Lastbereich des Brenners als Vormischstufen betrieben, wobei die Brennstoffverteilung auf die beiden Eindüsungsstufen in Abhängigkeit vom Lastbereich des Brenners eingestellt wird. Der Betrieb als Vormischstufe erfordert die Eindüsung in Zonen hoher Strömungsturbulenz im Drallraum mit einem ausreichenden Massenimpuls. Dies steht im Gegensatz zu Diffusionsstufen, bei denen der Brenn stoff mit relativ geringem Massenimpuls in Zonen geringer Strömungsturbulenz eingedüst wird.

Ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, das bei schadstoffarmer Verbrennung einen nochmals erweiterten Betriebsbereich ermöglicht.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren sowie der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Beim vorliegenden Verfahren wird ein Vormischbrenner mit einer ersten Gruppe von Eindüsungsöffnungen für Vormisch-Brennstoff und einer zentralen Brennstoffeindüsung eingesetzt, die mehrere weitere Eindüsungsöffnungen für Brennstoff aufweist. Eine zweite und eine dritte Gruppe der weiteren Eindüsungsöffnungen werden bei dem Verfahren derart gewählt und unabhängig voneinander mit gasförmigem Brennstoff beaufschlagt, dass die zweite Gruppe eine Vormischstufe und die dritte Gruppe eine Diffusionsstufe des Vormischbrenners bilden. Bei dem vorliegenden Verfahren wird somit die bei bekannten Betriebsverfahren eingesetzte zentrale Pilotierungsstufe durch eine zumindest zweistufige zentrale Eindüsung ersetzt. Eine dieser beiden Stufen wird als Diffusionsstufe, die andere als zusätzliche Vormischstufe, jeweils mit gasförmigem Brennstoff, betrieben. Durch diese damit insgesamt zumindest dreistufige Brennstoffeindüsung wird ein im Vergleich zu einem zweistufigen Verbrennungskonzept deutlich erweitertes Betriebsfeld des Vormischbrenners erreicht. Es versteht sich von selbst, dass ein für das vorliegende Verfahren geeigneter Vormischbrenner getrennte Brennstoffzuführungen zur zweiten und dritten Gruppe von Eindüsungsöffnungen aufweisen muss.

Es ist dem Fachmann dabei ohne weiteres geläufig, wie die Brennstoffeindüsungen anzuordnen sind, um den Brennstoff für eine Vormischverbrennung oder für eine Diffusionsverbrennung einzudüsen. Für eine Vormischverbrennung ist der Brennstoff derart in einen Verbrennungsluftstrom einzudüsen, dass der Brennstoff möglichst homogen verteilt wird. Für eine Diffusionsverbrennung hingegen ist der Brennstoff an einer Stelle und auf eine Art, einzudüsen, wo es zu einer geringen Interaktion zwischen Brennstoff und Verbrennungsluftstrom kommt, so, dass eine brennstoffreiche Zone entsteht, an deren Grenzfläche mit der Verbrennungsluft ein grosser Konzentrationsgradient auftritt. So wird bei bekannten Vormischbrennerbauarten Vormischbrennstoff im allgemeinen verteilt und radial in einen rotierenden Verbrennungsluftstrom eingedüst, wodurch es zu einer intensiven Vermischung von Brennstoff und Verbrennungsluft kommt. Sogenannter Pilotbrennstoff wird entlang der Brennerachse eingedüst, parallel zum Verbrennungsluftstrom, der dort eine minimale Umfangsgeschwindigkeit aufweist. Die Vermischung von Brennstoff und Luft ist dementsprechend gering.

Während die erste Eindüsungsstufe, die beispielsweise durch im äußeren Umfangsbereich des Brenners angeordnete Eindüsungsöffnungen gebildet ist, in bekannter Weise gemäß dem Stand der Technik ausgestaltet sein kann, wird eine der Gruppen der Eindüsungsöffnungen der zentralen Brennereindüsung (zweite Gruppe) vorzugsweise so gewählt und mit Brennstoff beaufschlagt, dass die Brennstoffeindüsung durch diese Gruppe optimal für den oberen Lastbereich des Brenners ausgelegt ist. Die entsprechende Auslegung ist selbstverständlich abhängig von der Art des Brenners sowie der Anordnung der ersten Eindüsungsstufe. Eine weitere Gruppe von Eindüsungsöffnungen der zentralen Brennstoffeindüsung, hier als dritte Gruppe bezeichnet, wird vorzugsweise so gewählt und mit Brennstoff beaufschlagt, dass sie den Betrieb des Brenners zwischen Zündung und mittlerem Lastbereich optimal abdeckt. Vorzugsweise sind hierbei neben der zweiten und dritten Gruppe noch weitere Gruppen von Brennstoffeindüsungsöffnungen ausgebildet, die als zusätzliche Vormischstufen betrieben werden, um eine optimale Brennstoffeindüsung für alle Lastbereiche des Brenners bereitzustellen. Vorzugsweise werden alle Eindüsungsstufen des Vormischbrenners im gesamten Lastbereich, also dem Betriebsbereich des Brenners zwischen einer minimalen und einer maximalen thermischen Leistung, mit Brennstoff beaufschlagt, so dass keine Spülung einzelner Brennstoffleitungen zur Vermeidung einer Rückschlagsgefahr erforderlich ist. Hierbei ist es insbesondere bei der als Diffusionsstufe betriebenen Gruppe von Eindüsungsöffnungen ausreichend, im oberen Lastbereich eine minimale Brennstoffzufuhr von bspw. 1–2% der Gesamtbrennstoffzufuhr aufrecht zu erhalten.

Entscheidend für das Brennerverhalten eines Gasturbinenbrenners ist die Position der Vormischflamme im Brenner- und Brennkammerströmungsfeld. Die Flammenposition wird im Wesentlichen durch das überkritische Drallströmungsfeld des Gasturbinenbrenners sowie durch die im Bereich der Flammenfront vorliegenden Turbulenzparameter festgelegt. Im unteren Lastbereich hat zudem die Mischungsgüte des Brennstoff-Luft-Gemisches einen signifikanten Einfluss auf das Brennerverhalten. Aufgrund der Drallströmung und evtl. vorhandener Drallgittereinbauten im Brenner ergibt sich eine inhomogene Verteilung der Turbulenzparameter des Strömungsfeldes, die jeweils abhängig von der jeweiligen Brennergeometrie sind. Mit einer mehrfachen zentralen Brennstoffeindüsung, wie sie beim vorliegenden Verfahren realisiert wird, ergeben sich somit folgende Möglichkeiten für die Erweiterung des Betriebsbereiches eines Brenners.

Die Eindüsung des Brennstoffes in Zonen mit niedriger Turbulenzintensität führt gemäß der Relation D_t ∼ l_t × u´ zu einer geringeren Mischungsgüte und damit zu einem hinsichtlich des LBO-Verhaltens günstigeren Betriebsverhalten des Brenners. Hierbei gibt D_t den turbulenten Diffusionskoeffizienten, l_t das turbulente Makrolängenmaß sowie u´ den Schwankungsanteil der turbulenten Strömungsbewegung an.

Eine Eindüsung des Brennstoffes in Zonen mit hoher Turbulenzintensität führt hingegen zur verbesserten Mischungsgüte und damit zu optimalen, d. h. schadstoff armen Verbrennungseigenschaften im oberen Lastbereich. Die für den Diffusionsbetrieb gewählte Gruppe von Eindüsungsöffnungen sollte daher in die Zonen mit niedriger Turbulenzintensität erfolgen, während die als Vormischstufe betriebene Gruppe von Eindüsungsöffnungen der zentralen Brennstoffeindüsung, die an den oberen Lastbereich angepasst ist, in Zonen mit hoher Turbulenzintensität anzuordnen ist. Selbstverständlich können hierbei auch weitere Gruppen von Brennstoffeindüsungen als weitere Brennstoffstufungen implementiert werden, um Betriebsbereiche, in denen flammenerregte Pulsationen im Brenner bzw. Brennkammersystem auftreten, zu vermeiden.

Das vorliegende Verfahren eignet sich insbesondere zum Betrieb von bereits vorhandenen Vormischbrennern mit einem vertretbaren technischen Aufwand, d. h. bspw. ohne zusätzliche Brennstoffleitungen zum Brenner. Hierbei wird an der zentralen Brennstoffeindüsung vorzugsweise ein Brennstoffverteilungssystem eingesetzt, das den Brennstoff entsprechend der momentanen Betriebslast des Brenners auf die zweite und dritte sowie die ggf. weiteren Gruppen von Eindüsungsöffnungen der zentralen Brennstoffeindüsung verteilt. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird hierfür ein mechanisches Brennstoffverteilungssystem mit einem zentralen Kolben eingesetzt. Dieser Kolben ist innerhalb eines Führungsgehäuses, das entsprechende Zufuhröffnungen für Brennstoff zu den einzelnen Gruppen von Eindüsungsöffnungen aufweist, axial und/oder rotatorisch beweglich. Er weist Nuten für die Brennstoffzuführung auf, die derart ausgebildet sind, dass sich bei einer axialen und/oder radialen Bewegung des Kolbens im Führungsgehäuse die Verteilung von Brennstoff entsprechend der gewünschten Betriebsweise auf die einzelnen Gruppen von Eindüsungsgruppen ändert. Durch eine Drehung und/oder axiale Bewegung des Kolbens, die durch einen entsprechenden Antrieb auf Basis einer Steuerung oder Regelung veranlasst wird, wird somit die jeweilige Brennstoffverteilung auf die einzelnen Eindüsungsstufen verändert. Vorzugsweise schließt der Kolben dabei die einzelnen Zufuhröffnungen im Führungsgehäuse niemals vollständig gasdicht ab, so dass in jedem Betriebszustand jeweils zumindest eine geringe Menge an Brennstoff über die Zufuhrleitungen strömt.

Die zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens umfasst entsprechend einen Vormischbrenner mit einer ersten Gruppe von Eindüsungsöffnungen für Vormisch-Brennstoff und einer zentralen Brennstoffeindüsung, die mehrere weitere Eindüsungsöffnungen für Brennstoff aufweist. Eine zweite und eine dritte Gruppe der weiteren Eindüsungsöffnungen sind über getrennte Zuleitungen mit einem Brennstoffverteilungssystem verbunden, über das die zweite und dritte Gruppe derart unabhängig voneinander mit gasförmigem Brennstoff beaufschlagbar sind, dass die zweite Gruppe eine Vormischstufe und die dritte Gruppe eine Diffusionsstufe des Vormischbrenners bilden. Die Geometrie dieses Vormischbrenners sowie die Anordnung der ersten Gruppe von Eindüsungsöffnungen kann dabei in bekannter Weise gemäß unterschiedlichen bekannten Brennertypen des Standes der Technik ausgeführt sein. In gleicher Weise kann die zentrale Brennstoffeindüsung in unterschiedlicher Weise ausgestaltet sein, so bspw. in Form einer Brennstofflanze, eines konischen Innenkörpers oder lediglich eines Brennerbodens, jeweils mit den entsprechenden Gruppen von Eindüsungsöffnungen mit unterschiedlichen Brennstoffzufuhrleitungen. Vorzugsweise sind jeweils mehr als zwei Gruppen von Eindüsungsöffnungen mit eigenen Brennstoffzufuhrleitungen in der zentralen Brennstoffeindüsung dieses Vormischbrenners ausgebildet.

Das mechanische Brennstoffverteilungssystem ist vorzugsweise mit dem bereits beschriebenen Kolben in dem Führungsgehäuse ausgestattet. Durch geeignete Anordnung der Zufuhröffnungen zu den einzelnen Brennstoffleitungen der zentralen Brennstoffeindüsung sowie ggf. der ersten Gruppe von Eindüsungsöffnungen und der Brennstoffnuten in dem Kolben lassen sich sämtliche Eindüsungsstufen des Vormischbrenners über dieses Brennstoffverteilungssystem steuern.

In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Nuten in den Kolben weiterhin derart ausgebildet, dass sich die Gesamtbrennstoffzufuhr zu dem Brenner durch eine radiale und/oder axiale Verschiebung des Kolbens ändert.

Durch die Implementierung dieses zusätzlichen Brennstoffverteilsystems kann bei entsprechender Ausgestaltung in Verbindung mit dem vorliegenden Verfahren eine verbesserte Kontrolle von Emissionen und/oder Pulsationen des Brenners sowie eine Erweiterung des Betriebsbereiches des Brenners erreicht werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine Gegenüberstellung eines bekannten Betriebskonzeptes eines Vormischbrenners und des erfindungsgemäßen Betriebskonzeptes;
2 ein Beispiel für eine Ausgestaltung des mechanischen Brennstoffverteilungssystemes des vorliegenden Verfahrens bzw. der vorliegenden Vorrichtung;
3 ein Beispiel für die Anwendung des vorliegenden Verfahrens bei einem bekannten Vormischbrenner des Standes der Technik;
4 ein weiteres Beispiel für eine Anwendung des vorliegenden Verfahrens bei einem bekannten Vormischbrenner des Standes der Technik;
5 ein weiteres Beispiel für eine Anwendung des vorliegenden Verfahrens bei einem bekannten Vormischbrenner des Standes der Technik; und
6 ein weiteres Beispiel für eine Anwendung des vorliegenden Verfahrens bei einem bekannten Vormischbrenner des Standes der Technik.
Wege zur Ausführung der Erfindung
1a zeigt ein Beispiel für ein bekanntes Brennerkonzept gemäß dem Stand der Technik. In dieser Figur ist stark schematisiert ein Doppelkegelbrenner angedeutet, bei dem über zwei in der Figur nicht dargestellte Schlitze zwischen den beiden kegelförmigen Brennerhalbschalen 7 Brennluft in den Drallraum des Brenners einströmt. An diesen Schlitzen ist weiterhin eine erste Gruppe I von Eindüsungsöffnungen 1a angeordnet, über die ein Vormisch-Brenngas in die Drallströmung des Brenners eingebracht wird. Die Eindüsungsöffnungen 1a sind schematisch durch die Pfeile angedeutet. Dieser Doppelkegelbrenner weist weiterhin eine zentrale Brennstoffeindüsung 4 in Form einer Brennstofflanze 8 auf, über die ein Pilotgas zur Pilotierung über eine am Ende dieser Brennstofflanze 8 angeordnete Pilotierungsdüse 9 in den Drallraum eingebracht werden kann. Die Pilotierung dient hierbei der Zündung sowie der Aufrechterhaltung eines stabilen Betriebsbereiches im unteren Lastbereich des Brenners. Die Pilotierung wird in der Regel im oberen Lastbereich abgeschaltet, da sie höhere Schadstoffemissionen verursacht.
1b zeigt im Vergleich hierzu das mehrstufige Eindüsungskonzept gemäß dem vorliegenden Verfahren. Auch in dieser Darstellung wird wiederum ein Doppelkegelbrenner mit den beiden Brennerhalbschalen 7 sowie einer zentralen Brennstoffeindüsung 4 in Form einer Brennstofflanze 8 gezeigt. An den Brennerschalen 7 ist hierbei wiederum die erste Gruppe I von Eindüsungsöffnungen 1a angedeutet, über die Vormisch-Brenngas in die Drallströmung des Brenners eingebracht wird. Die Brennstoffzufuhr eines Pilotgases über die zentrale Brennstofflanze 8 erfolgt in diesem Beispiel über zwei getrennte Gruppen, eine zweite II und eine dritte Gruppe III, von Eindüsungsöffnungen. Die dritte Gruppe III von Eindüsungsöffnungen 3a, die auch in dieser Figur jeweils mit Pfeilen angedeutet sind, ist hierbei derart angeordnet und wird derart mit Brennstoff beaufschlagt, dass sie eine Diffusionsstufe des Brenners bildet. Die zweite Gruppe II von Eindüsungsöffnungen 2a wird hingegen als Vormischstufe betrieben.
Aus diesem Vergleich der beiden Betriebskonzepte ist ersichtlich, dass beim vorliegenden Verfahren die konventionelle Pilotstufe durch eine mehrstufige Anordnung ersetzt wird. Die hierbei entstandenen Brennstoffstufen I und II werden durch eine modifizierte Brennstofflanze 8 zugegeben. Dies erfordert eine Brennstofflanze 8 mit mehreren Brennstoffkanälen, über die die einzelnen Stufen jeweils unabhängig voneinander mit dem gasförmigen Brennstoff beaufschlagt werden können. Die Verteilung der Brennstoffströme für die Stufe I und II erfolgt in diesem Fall am stromaufliegenden Ende der Brennstofflanze 8 über ein in der Figur angedeutetes Brennstoffverteilungssystem 5. Die weitere Stufe III entspricht der bekannten Eindüsung von Vormisch-Brennstoff an den Brennerschalen 7. Bei einem Betrieb eines derartigen Vormischbrenners gemäß dem vorliegenden Verfahren wird bspw. bei Zündung des Brenners der größte Brennstoffanteil über die erste Stufe I eingebracht. Mit zunehmender Last werden die Stufen II und III hoch gefahren und die Stufe I zurückgefahren. Bei Volllast sind die Stufen II und III vollständig in Betrieb, während die Stufe I auf ein Minimum von etwa 1 – 2 des Gesamtbrennstoffmassenstroms zurückgefahren ist.
In einer Weiterbildung dieses Betriebskonzeptes lässt sich bspw. die Stufe II nochmals in Unterstufen unterteilen, die jeweils über getrennte Brennstoffzufuhrleitungen mit Brennstoff beaufschlagt werden. Durch eine derartige weitere Stufung der Brennstoffzufuhr der zentralen Brennstoffeindüsung 4 lässt sich eine feinere Anpassung der Brennstoffeindüsung an die Brennerlast erreichen.
2 zeigt ein Beispiel für ein Brennstoffverteilungssystem 5, wie es bei der vorliegenden Vorrichtung bzw. dem vorliegenden Verfahren zum Einsatz kommen kann. Bei diesem Brennstoffverteiler 5 wird der zugeführte Brennstoff ähnlich wie bei einer Einspritzpumpe für Dieselmotoren über einen axial und/oder radial beweglichen Kolben 6 auf die entsprechenden Brennstoffkanäle 12 aufgeteilt. Der Kolben 6 befindet sich hierbei in einem Führungsgehäuse 10, das entsprechende Zufuhröffnungen 11 zur Zufuhr von Brennstoff über die Brennstoffkanäle 12 zu den entsprechenden Gruppen von Eindüsungsöffnungen bzw. Eindüsungsstufen I – III aufweist. Der Kolben 6 enthält helikale Nuten 13, über die der Brennstoff bei geeigneter Stellung des Kolbens 6 innerhalb des Führungsgehäuses 10 in die einzelnen Brennstoffkanäle 12 gelangen kann. Im vorliegenden Beispiel werden die Nuten 13 des Kolbens je nach axialer Position des Kolbens 6 innerhalb des Führungsgehäuses 10 mit den Zufuhröffnungen 11 zur Deckung gebracht und der entsprechende Brennstoffkanal mit Brennstoff versorgt. Vorzugsweise korrespondiert die axiale Auslenkung des Kolbens 6 mit dem in der Gasturbine, in der der vorliegende Brenner eingesetzt wird, vorliegenden Verbrennungsdruck und damit auch mit dem Gasvordruck im Brennstoffverteilungssystem sowie dem Lastzustand.
Der Kolben 6 muss die jeweils nicht mit Nuten 13 in Deckung gebrachten Zufuhröffnungen 11 nicht voll-ständig gasdicht abschließen, da ein gewisser minimaler Durchfluss durch alle Brennstoffkanäle 12, d. h. zu allen Stufen I–III der Brennstoffeindüsung, zur Vermeidung von Rückströmungen der Brennluft in die Rohre der Brennstoffstufen vermieden werden soll. Zudem ersetzt dieses Brennstoffverteilungssystem 5 prinzipiell auch Rückschlagventile, die häufig zur Vermeidung von Rückströmungen in das Brennstoffverteilungssystem eingesetzt werden. Auch wenn in diesem Beispiel lediglich 3 Stufen angedeutet sind, so ist selbstverständlich auch eine größere Anzahl von Brennstoffstufungen über ein derartiges Brennstoffverteilungssystem 5 betreibbar. Ebenso ist die schematische Darstellung nur beispielhaft zu sehen, da selbstverständlich auch der zeitgleiche Einsatz zweier oder mehrerer Brennstoffstufen durch geeignete Anordnung der Nuten 13 im Kolben 6 erwünscht sein kann. Weiterhin kann der Kolben 6 auch zur Einzelbrennerregelung eingesetzt werden, indem durch Drehung die effektive Querschnittsfläche bei der Überdeckung der Nuten 13 mit den Brennstoffkanälen 12 und damit der Druckverlust variiert wird.
Die folgenden Figuren zeigen jeweils beispielhaft die Anwendung des vorliegenden Verfahrens auf andere bekannte Brennergeometrien, wobei die jeweils angedeuteten Stufen I – III entsprechend der in 1 erläuterten Funktion dieser Stufen betrieben werden.
So ist in 3 im Ausschnitt eines sog. Dosenbrenner gezeigt, bei dem die zentrale Brennstoffeindüsung 4 durch einen Brennerboden 14 mit entsprechenden Eindüsungsöffnungen ausgebildet ist. Die Eindüsungsöffnungen werden beim vorliegenden Verfahren in zumindest zwei Gruppen unabhängig voneinander mit Brennstoff beaufschlagt, um die jeweiligen Brennstoffstufen I und II zu bilden. Die Eindüsung des Vormischbrennstoffes über die dritte Stufe III erfolgt hierbei in bekannter Weise über entsprechende Drallerzeuger 15 in den Innenraum des Brenners.
4 zeigt eine Ausgestaltung eines sog. Hybridbrenners, bei dem der Vormischbrennstoff der dritten Stufe III wiederum seitlich über entsprechende Drallerzeuger 15 eingedüst wird. Auch hierbei wird beim Betrieb dieses Brenners mit dem vorliegenden Verfahren die zentrale Brennstoffeindüsung 4 in zumindest zwei Stufen I und II betrieben, wie dies in der Figur schematisch angedeutet ist. Das Gleiche gilt für die in den 5 und 6 gezeigten Brennertypen. Auch hierbei sind jeweils die unterschiedlichen Eindüsungsstufen, die durch unterschiedliche Gruppen von Eindüsungsöffnungen mit voneinander getrennten Zufuhrleitungen für Brennstoff gebildet werden, angedeutet. Die Stufe I entspricht hierbei jeweils der Diffusions stufe, die Stufe II einer zusätzlichen Vormischstufe in der zentralen Brennstoffeindüsung 4.

I: erste Gruppe
1a: Eindüsungsöffnungen der ersten Gruppe
II: zweite Gruppe
2a: Eindüsungsöffnungen der zweiten Gruppe
III: dritte Gruppe
3a: Eindüsungsöffnungen der dritten Gruppe
4: zentrale Brennstoffeindüsung
5: Brennstoffverteilsystem
6: Kolben
7: Brennerschalen
8: Brennstofflanze
9: Pilotierungsdüse
10: Führungsgehäuse
11: Zufuhröffnungen
12: Brennstoffkanäle
13: Nuten
14: Brennerboden
15: Drallerzeuger

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners mit einer ersten Gruppe (I) von Eindüsungsöffnungen (1a) für Vormisch-Brennstoff und einer zentralen Brennstoffeindüsung (4), die mehrere weitere Eindüsungsöffnungen (2a, 3a) für Brennstoff aufweist, bei dem eine zweite (II) und eine dritte Gruppe (III) der weiteren Eindüsungsöffnungen (2a, 3a) derart gewählt und unabhängig voneinander mit gasförmigem Brennstoff beaufschlagt werden, dass die zweite Gruppe (II) eine Vormischstufe und die dritte Gruppe (III) eine Diffusionsstufe des Vormischbrenners bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gruppe (II) derart gewählt und mit Brennstoff beaufschlagt wird, dass sie eine optimale Brennstoffverteilung im oberen Lastbereich des Vormischbrenners gewährleistet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Gruppe (III) derart gewählt und mit Brennstoff beaufschlagt wird, dass sie einen optimalen Betrieb des Vormischbrenners in einem Betriebsbereich zwischen Zündung und mittlerem Lastbereich gewährleistet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere weitere Gruppen der zentralen Brennstoffeindüsung (4) derart gewählt und mit Brennstoff beaufschlagt werden, dass sie weitere Vormischstufen des Vormischbrenners bilden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dritte Gruppe (III) sowie zumindest eine der weiteren Gruppen der zentralen Brennstoffeindüsung (4) derart gewählt und mit Brennstoff beaufschlagt werden, dass sie einen optimalen Betrieb des Vormischbrenners in jeweils unterschiedlichen Betriebsbereichen zwischen Zündung und mittlerem Lastbereich gewährleisten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite (II) und dritte (III) sowie gegebenenfalls weitere Gruppen der zentralen Brennstoffeindüsung (4) während des Betriebes des Vormischbrenners ständig mit Brennstoff beaufschlagt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite (II) und gegebenenfalls weitere Gruppen derart gewählt werden, dass sie den Brennstoff in Bereiche hoher Turbulenzintensität der Verbrennungsluftströmung einbringen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Gruppe (III) derart gewählt wird, dass sie den Brennstoff in Bereiche niedriger Turbulenzintensität einbringt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der Brennstoffes der zentralen Brennstoffeindüsung (4) auf die zweite (II) und dritte (III) sowie gegebenenfalls die weiteren Gruppen durch ein Brennstoffverteilungssystem (5) an der Brennstoffeindüsung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein mechanisches Brennstoffverteilungssystem (5) mit einem beweglichen Kolben (6) eingesetzt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit einem Vormischbrenner mit einer ersten Gruppe (I) von Eindüsungsöffnungen (1a) für Vormisch-Brennstoff und einer zentralen Brennstoffeindüsung (4), die mehrere weitere Eindüsungsöffnungen (2a, 3a) für Brennstoff aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite (II) und eine dritte Gruppe (III) der weiteren Eindüsungsöffnungen (2a, 3a) mit einem mechanischen Brennstoffverteilungssystem (5) verbunden sind, über das die zweite und dritte Gruppe derart unabhängig voneinander mit gas förmigem Brennstoff beaufschlagbar sind, dass die zweite Gruppe (II) eine Vormischstufe und die dritte Gruppe (III) eine Diffusionsstufe des Vormischbrenners bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die erste Gruppe (I) von Eindüsungsöffnungen (1a) mit dem mechanischen Brennstoffverteilungssystem (5) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere weitere Gruppen der zentralen Brennstoffeindüsung (4) mit dem mechanischen Brennstoffverteilungssystem (5) verbunden sind, über das die weiteren Gruppen unabhängig voneinander und von der zweiten (II) und dritten Gruppe (III) derart mit gasförmigem Brennstoff beaufschlagbar sind, dass sie weitere Vormischstufen des Vormischbrenners bilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Brennstoffverteilungssystem (5) einen innerhalb eines Führungsgehäuses (10), das Zufuhröffnungen (11) für Brennstoff zu den einzelnen Gruppen (II, III) von Eindüsungsöffnungen aufweist, axial und/oder rotatorisch beweglichen Kolben (6) mit Nuten (13) für die Brennstoffzuführung umfasst, die derart ausgebildet sind, dass sich bei einer axialen und/oder radialen Bewegung des Kolbens (6) im Führungsgehäuse (10) die Verteilung von Brennstoff auf die einzelnen Gruppen (II, III) von Eindüsungsöffnungen ändert.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (13) im Kolben (6) derart ausgebildet sind, dass sich bei einer axialen und/oder radialen Bewegung des Kolbens (6) im Führungsgehäuse (10) die Gesamtbrennstoffzufuhr zum Vormischbrenner ändert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite (II) und gegebenenfalls weitere Gruppen derart angeordnet und/oder ausgebildet sind, dass der Brennstoff in Bereiche hoher Turbulenzintensität eingedüst wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Gruppe (III) derart angeordnet und/oder ausgebildet ist, dass der Brennstoff in Bereiche niedriger Turbulenzintensität eingedüst wird.