DE19653059A1

DE19653059A1 - Verfahren zum Betrieb eines Brenners

Info

Publication number: DE19653059A1
Application number: DE19653059A
Authority: DE
Inventors: Marcel Stalder; Franz Dr Joos
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1996-12-19
Filing date: 1996-12-19
Publication date: 1998-06-25
Also published as: EP0849532A2; EP0849532B1; CN1119568C; JPH10185109A; DE59706957D1; US6128894A; CN1186928A; EP0849532A3

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Zur Zerstäubung von flüssigen Brennstoffen werden unter anderem sogenannte Vollstrahlzerstäuber eingesetzt. Bei einer solchen Düse wird der flüssige Brenn stoff aus einer Vorkammer durch eine kreisförmige Einspritzöffnung bestimmter Führungslänge unter hohem Druck ausgestoßen. Der sich ergebende Brenn stoffstrahl zerfällt in mehr oder weniger ruhender Umgebung zu einem feinen Spray. Um einen zur Verbrennung ausreichend feinen Spray zu erzeugen ist je doch ein relativ hoher Brennstoffdruck erforderlich, wie er nur bei Vollast einer Gasturbinenanlage anliegt. Demgegenüber wird beispielsweise beim Zünden ei ner Brennkammer oder beim Hochfahren nach dem Zünden aufgrund des niedri gen Brennstoffdurchsatzes nur ein geringer Brennstoffdruck benötigt. Weil jedoch bei Teillast der Gasturbinenanlage die Zerstäubung des flüssigen Brennstoffs mit tels eines Vollstrahlzerstäubers naturgemäß zu relativ großen Tropfen führt, sind die herkömmlichen Vollstrahlzerstäuber für den Teillastbetrieb einer Gastur binenanlage nicht geeignet.

Um dennoch feine Tropfen zu erzielen, kann die Düse zusätzlich mit einer soge nannten Zündstufe versehen werden. Dabei handelt es sich um einen zweiten Zerstäuber, der für entsprechend kleine Durchsätze ausgelegt ist und daher bei Teillast eine ausreichend feine Zerstäubung des Flüssigbrennstoffs gewährleistet. Eine solche Lösung ist aus dem Lehrbuch "Atomization and sprays" von A. Lefebvre, West Lafayette, Indiana 1989, S. 120, Fig. 4.21 bekannt. Diese Düse mit ihren beiden Brennstoffzuleitungen und mit zwei radial übereinander liegen den Brennstoffkanälen, welche je nach benötigtem Brennstoffmassenstrom beauf schlagt werden, benötigt jedoch einen relativ großen Bauraum. Zudem sind die verwendeten Bauteile naturgemäß filigran, wodurch die Düse störanfälliger wird. Die Verwendung von mehr als zwei Zerstäubern in einer Düse führt zu einer Ver stärkung der genannten Nachteile. Außerdem ist eine entsprechende Anzahl von Brennstoffzuleitungen mit diversen Regelventilen erforderlich, wodurch nicht nur der konstruktive Aufwand sondern auch die Kosten steigen. Beim Umschalten auf den jeweils benötigten Zerstäuber treten Unstetigkeiten im Brennstoffstrom auf, die zum Verlöschen des Brenners führen können.

Aus der gleichen Quelle, jedoch S. 142-144 und Fig. 4.50 ist ein Zerstäuber für flüssige Brennstoffe bekannt, bei dem stromauf der Einspritzöffnung ein Hilfsgas in den Flüssigkeitsstrom eingebracht wird. Dazu ist im Inneren des Flüssigbrenn stoffrohres ein Gasrohr angeordnet, welches stromauf der Einspritzöffnung endet und mit mehreren Austrittsöffnungen für das Hilfsgas versehen ist. Die Eindüsung des Hilfsgases in den Flüssigkeitsstrom erfolgt mit geringer Geschwindigkeit und mit gegenüber dem Flüssigkeitsstrom nur unwesentlich höherem Druck. Das in die Flüssigkeit austretende Hilfsgas bildet Gasblasen, durch deren Einfluß relativ dünne Flüssigkeitsfetzen und -bänder im Flüssigkeitsstrom entstehen. Weil sol che Flüssigkeitsströme mit geringerem Durchmesser leichter zu einem feinen Spray aufgelöst werden können, wird auf diese Weise die Zerstäubung des flüs sigen Brennstoffs verbessert. Mit dem Eindüsen des Hilfsgases in das Flüssig brennstoffrohr wird der zu zerstäubende Gesamtvolumenstrom erhöht, so daß mittels eines Vollstrahlzerstäubers auch bei Teillast eine ausreichende Zerstäu bung des Brennstoffs erreichbar ist.

Der Nachteil eines solchen Zerstäubers ist jedoch, daß er nicht bei Vollast der Gasturbinenanlage, d. h. bei hohem Brennstoffdruck eingesetzt werden kann. Um bei diesem Betriebszustand das Eindüsen des Hilfsgases in den Flüssigbrennstoff und damit die Funktionsfähigkeit des Zerstäubers zu gewährleisten, muß das Hilfsgas hoch verdichtet werden. Dies ist jedoch sehr aufwendig und nicht ohne externe Energiezufuhr möglich. Daher haben derartige Zerstäuber bisher kaum Verbreitung gefunden.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, alle diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und für alle Betriebszustände geeignetes Verfahren zum Betrieb eines Brenners zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, das Hilfsgas nur bei der Zündung sowie bei Teillast des Brenners zugeführt und die Zufuhr bei hohen Lastbereichen unterbro chen wird.

Damit kann die an sich bekannte Zerstäuberdüse nunmehr sowohl an Zünd- und Niedriglastbedingungen als auch unter hohen Lastbedingungen und natürlich bei Vollast optimal angepaßt werden. Auf diese Weise wird das jeweilige Anwen dungsspektrum einer solchen Zerstäuberdüse bzw. eines mit ihr ausgestatteten Brenners wesentlich erweitert. Ihr Einsatz bei einer mit unterschiedlichen Ver brennungsluftdrücken, wie z. B. bei einer Gasturbine, betriebenen Brennkammer wird dadurch erst ermöglicht.

Allgemein kann durch die im Brenner erfolgende Vormischung des flüssigen Brennstoffs mit dem Hilfsgas eine emissionsärmere Verbrennung erzielt werden. Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich beim Einsatz des Verfahrens in axial gelager ten Brennkammern, bei denen die Brenner in unterschiedlichen geodätischen Hö hen angeordnet sind. Durch die Zufuhr des Hilfsgases kann die ansonsten insbe sondere beim Zünden auftretende, ungleichmäßige Verteilung des Flüssigbrenn stoffs deutlich verringert und damit die Funktionssicherheit der Brennkammer er höht werden.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn das Hilfsgas auch bei Unterbrechung der Versorgung des Brenners mit flüssigem Brennstoff weiterhin zugeführt wird. Auf diese Weise kann die Zerstäuberdüse zusätzlich gespült und damit ihrem Verko ken vorgebeugt werden.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Hilfsgas aus einem Druckbehälter oder einem Hilfsverdichter zum Brenner geliefert wird. Entsprechend den konkreten Einsatz bedingungen des Brenners ist damit jeweils eine geeignete Quelle für das Hilfs gas gegeben.

Besonders vorteilhaft wird verdichtete Luft als Hilfsgas zugeführt. Dazu wird bei Bedarf entweder Umgebungsluft verdichtet oder komprimierte Luft aus dem be reits vor dem Zünden des Brenners gefüllten Druckbehälter verwendet. Der Ein satz von Umgebungsluft als Hilfsgas ist deshalb besonders günstig, weil sie stän dig zur Verfügung steht.

Je nach Verfügbarkeit kann die Erfindung auch mit inerten Gasen, wie z. B. Stick stoff, mit Zündgasen (z. B. Propan) oder mit Brenngasen (beispielsweise Erdgas) realisiert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines in einer Gasturbinenanlage angeordneten Brenners für flüssige Brennstoffe dargestellt. Die einzige Figur zeigt einen Teillängsschnitt durch den mit einer Zerstäuberdüse ausgestatteten Brenner.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind von der Anlage beispielsweise der Verdichter und die Gas turbine. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.

Weg zur Ausführung der Erfindung

In der nicht dargestellten Gasturbinenanlage sind mehrere Brenner 1 angeordnet, die mit einem flüssiger Brennstoff 2, genauer mit Brennöl betrieben werden. Na türlich können auch andere geeignete Brennstoffe Verwendung finden.

Jeder Brenner 1 besteht aus einem äußeren Luftrohr 3 und einer koaxial im Inne ren des Luftrohres 3 angeordneten Zerstäuberdüse 4, welche beide in eine Brennkammer 5 der Gasturbinenanlage münden. Die Zerstäuberdüse 4 weist ein Flüssigbrennstoffrohr 6 mit einem Innenraum 7, eine Brennstoffzuleitung 8 und ei ne kreisförmige Einspritzöffnung 9 auf. Im Innenraum 7 der Zerstäuberdüse 4 ist ein mit einer Zuleitung 10 verbundenes Gasrohr 11 angeordnet, welches mehrere Austrittsöffnungen 12 in den Innenraum 7 aufweist. Der Innenraum 7 ist in Rich tung der Einspritzöffnung 9 verjüngt, d. h. mit einem Führungsstück 13 für das Brennöl 2 ausgebildet. Die Zuleitung 10 besitzt ein Steuerventil 14, mit dem das Gasrohr 11 geöffnet oder versperrt werden kann.

Beim Betrieb der Gasturbinenanlage wird jeder Brenner 1 über die entsprechende Brennstoffzuleitung 8 mit Brennöl 2 versorgt. Dabei gelangt das Brennöl 2 zu nächst in den Innenraum 7 des Flüssigbrennstoffrohres 6, wo es durch den Brennstoffdruck in Richtung der Einspritzöffnung 9 weitergefördert wird. Sowohl während dem Zündvorgang als auch beim Teillastbetrieb der Brenner 1 bzw. der Gasturbinenanlage wird über die Zuleitung 10 und die m Gasrohr 11 angeordne ten Austrittsöffnungen 12 als Hilfsgas 15 dienende, verdichtete Luft in das sich im Innenraum 7 befindliche Brennöl 2 eingeleitet. Diese Endüsung erfolgt mit gerin ger Geschwindigkeit und mit einem gegenüber dem Brennöl 2 nur unwesentlich höheren Druck von zirka 0,1 bis 3,0 bar. Durch die zusätzliche Luft 15 wird der Volumenstrom und damit der Brennstoffdruck erhöht, so daß sowohl bereits beim Zündvorgang als auch beim Teillastbetrieb der Brenner 1 eine verbesserte Zer stäubung des Brennöls 2 erzielt werden kann. Zudem bildet das in das flüssige Brennöl 2 eintretende Hilfsgas 15 Luftblasen aus, durch deren Einfluß das Brennöl 2 in die Form von dünnen Flüssigbrennstoff-Fetzen und -bändern ge quetscht wird. Weil somit die einzelnen Teile des Brennöls 2 einen relativ gerin gen Ausgangsdurchmesser aufweisen, kann beim Eindüsen des Brennöls 2 durch die Einspritzöffnung 9 eine besonders feine Zerstäubung erreicht werden.

Die als Hilfsgas 15 dienende Luft wird dem nicht dargestellten Verdichterabschnitt der Gasturbinenanlage vorverdichtet entnommen und bei Bedarf über einen eben falls nicht dargestellten Hilfsverdichter auf den erforderlichen Druck gebracht. Natürlich kann die Luft 15 auch aus einem Druckbehälter zugeführt werden.

Mit zunehmender Last der Gasturbinenanlage nimmt der Brennstoffdurchsatz des Brenners 1 ständig zu. Analog zum Brennstoffdurchsatz steigt der Brennstoffdruck im Brenner 1 und in der Zerstäuberdüse 4. Wenn der zu einer ausreichenden Zer stäubung erforderliche Brennstoffdruck erreicht ist, wird die Luftzufuhr durch Schließen des Steuerventils 14 unterbrochen. Bei geschlossenem Steuerventil 14, d. h. bei hohem Brennstoffdruck, wird das Brennöl 2 mittels der kreisförmigen Einspritzöffnung 9 zu einem feinen, für die Verbrennung geeigneten Spray ver teilt.

Auch während einer Unterbrechung der Versorgung des Brenners 1 mit flüssigem Brennstoff 2, z. B. beim zeitweiligen Einsatz des Brenners 1 als Zünd-, Pilot- oder als Stufenbrenner einer gestuften Brennkammer, oder beim Abschalten der Gas turbinenanlage wird dem Brenner 1 weiterhin Luft 15 zugeführt. Auf diese Weise wird eine Spülung der Zerstäuberdüse 4 gewährleistet und damit deren Verkoken vorgebeugt.

Natürlich können alternativ zur verwendeten Luft 15 auch noch andere Hilfsgase, wie beispielsweise inerte Gase (Stickstoff) oder Zündgase (Propan) oder Brenn gase (Erdgas) eingesetzt werden.

Bezugszeichenliste

1

Brenner

2

flüssiger Brennstoff, Brennöl

3

Luftrohr, äußeres

4

Zerstäuberdüse

5

Brennkammer

6

Flüssigbrennstoffrohr

7

Innenraum

8

Brennstoffzuleitung

9

Einspritzöffnung, kreisförmig

10

Zuleitung

11

Gasrohr

12

Austrittsöffnung

13

Führungsstück

14

Steuerventil

15

Hilfsgas, Luft

Claims

1. Verfahren zum Betrieb eines Brenners (1), bei dem mit einem aktuellen Brennstoffdruck in eine Zerstäuberdüse (4) des Brenners (1) einströmender flüssiger Brennstoff (2) durch eine Einspritzöffnung (9) ausgestoßen, zu vor jedoch ein Hilfsgas (15) mit einem nur geringfügig höheren Druck als der Brennstoffdruck in den flüssigen Brennstoff (2) eingebracht wird, da durch gekennzeichnet, daß das Hilfsgas (15) bei der Zündung und bei Teillast des Brenners (1) zugeführt, die Zufuhr bei hohen Lastbereichen des Brenners (1) jedoch unterbrochen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsgas (15) auch bei Unterbrechung der Versorgung des Brenners (1) mit flüssi gem Brennstoff (2) weiterhin zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsgas (15) aus einem Druckbehälter oder einem Hilfsverdichter zum Brenner (1) geliefert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß verdichtete Luft als Hilfsgas (15) zugeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß während der Zündung und/oder dem Teillastbetrieb des Brenners (1) Umgebungsluft (15) verdichtet und zum Brenner (1) geliefert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß komprimierte Luft (15) aus einem vor dem Zünden des Brenners (1) befüllten Druckbe hälter zum Brenner (1) geliefert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfsgas (15) ein inertes Gas, vorzugsweise Stickstoff, zum Brenner (1) geliefert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfsgas (15) ein Zündgas, vorzugsweise Propan zum Brenner (1) geliefert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfsgas (15) ein Brenngas, vorzugsweise Erdgas, verwendet wird.