DE19839085A1 - Brenneranordnung mit primärem und sekundärem Pilotbrenner - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brenneranordnung für eine Feuerungsanlage, insbesondere eine Gasturbinenbrennkammer, mit einem Hauptbrenner (1) und einem zentral darin angeordneten primären Pilotbrenner (15), der zum Zünden und/oder zum Stabilisieren der Verbrennung des Hauptbrenners dient. Zur zusätzlichen Stabilisierung, zur Reduzierung von Brummgeräuschen in einer Feuerungsanlage und zur Vermeidung des dabei manchmal möglichen Rückschlagens der Flamme in einen Teilbereich des Brenners sind im Auslaßbereich des Hauptbrenners (1) eine Mehrzahl von Auslaßöffnungen (10) angeordnet, die zusammen einen sekundären Pilotbrenner bilden. Die Flammen des sekundären Pilotbrenners umgeben die Hauptflamme wie ein Kranz und stabilisieren zusätzlich den Betrieb bei unterschiedlichen Lastzuständen. Insbesondere werden über den sekundären Pilotbrenner 0 bis 10% der bei Grundlast von der Brenneranordnung benötigten Brennstoffmenge zugeführt, wobei der zentrale primäre Pilotbrenner (15) entsprechend mit weniger Brennstoff versorgt werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brenneranordnung für eine Feuerungsanlage, insbesondere eine Gasturbinenbrennkam­ mer mit einem Hauptbrenner und einem zentral darin angeordne­ ten primären Pilotbrenner, der zum Zünden und/oder zum Stabi­ lisieren der Verbrennung des Hauptbrenners dient. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Brenneranordnung.

Brenneranordnungen der gattungsgemäßen Art sind oft für ver­ schiedene Brennstoffe und verschiedene Betriebsweisen aus ge­ legt, wobei es im Hinblick auf weltweit immer strengere Be­ stimmungen zum Ausstoß von Schadstoffen große Anstrengungen gibt, die Anordnungen und Betriebsweisen so zu verbessern, daß der Schadstoffausstoß verringert wird.

Besonders umweltfreundliche Brenner mit einem geringen Aus­ stoß an NOx sind aus der EP 0 108 361 B1 und der EP 0 193 838 B1 bekannt. Da es bei der vorliegenden Erfindung um eine Wei­ terbildung gerade auch solcher Brenner geht, wird auf den In­ halt dieser beiden Schriften vollinhaltlich Bezug genommen.

Obwohl bei den bekannten Brenneranordnungen durch konstruk­ tive Maßnahmen und die Betriebsweise kritische Zustände der Brenner weitestgehend vermieden werden können, so gibt es doch die Möglichkeit, insbesondere wenn die Brenneranordnung im Vormischbetrieb betrieben wird, d. h. wenn Brennstoff und Luft schon vor der Verbrennungszone intensiv miteinander ge­ mischt werden, daß die Verbrennung in einer Feuerungsanlage Fluktuationen aufweist und manchmal instabil wird, was sich beispielsweise durch ein Brummen der Feuerungsanlage äußern kann. Dabei kann gelegentlich auch die Flamme in einen Teil­ bereich eines der Brenner zurückschlagen, was wegen dadurch verursachter Temperaturerhöhungen an Brennerbauteilen und we­ gen eines dabei auftretenden erhöhten Schadstoffausstoßes un­ erwünscht ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei den bekannten Brenneranordnungen eine stärkere Stabilisierung der Verbren­ nung zu schaffen und dadurch ein Brummen der Feuerungsanlage durch instabile Verbrennung und das Zurückschlagen der Flamme in Teilbereiche eines Brenners zu vermeiden.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient eine Brenneranordnung gemäß dem Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Bren­ neranordnung gemäß dem Anspruch 11.

Bevorzugte und besonders vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Eine solche Brenneranordnung für eine Feuerungsanlage, insbe­ sondere eine Gasturbinenbrennkammer, weist einen Hauptbrenner und einen zentral darin angeordneten primären Pilotbrenner auf, der zum Zünden und/oder zum Stabilisieren der Verbrennung des Hauptbrenners dient. Einzelheiten über solche Brenner, die wegen der unterschiedlichen Möglichkeiten der Betriebs­ weise und Brennstoffversorgung auch Hybridbrenner genannt werden, sind zum Beispiel in der EP 0 108 361 B1 und der EP 0 193 838 B1 beschrieben. Erfindungsgemäß wird eine solche Brenneranordnung nunmehr zusätzlich mit einem sekundären Pi­ lotbrenner ausgestattet, wobei dieser im Auslaßbereich des Hauptbrenners eine Mehrzahl von Auslaßöffnungen aufweist. Durch aus diesen Auslaßöffnungen austretenden Brennstoff be­ ziehungsweise ein Gemisch aus Luft und Brennstoff bildet sich ein Flammenkranz, der die aus dem Hauptbrenner austretende Flamme etwa ringförmig umgibt und diese dadurch zusätzlich stabilisiert. Während der primäre Pilotbrenner zentral quasi von innen heraus die Verbrennung stützt, kann der sekundäre Pilotbrenner zur Stabilisierung von außen beitragen, ohne das Prinzip der Verbrennung mit Rezirkulation, wie es die Brenner nach dem Stand der Technik haben, negativ zu beeinflussen.

Das zur stabilen Verbrennung in der Flamme des Brenners wich­ tige äußere Rezirkulationsgebiet wird durch den sekundären Pi­ lotbrenner sogar verstärkt.

Besonders bevorzugt ist der sekundäre Pilotbrenner durch ei­ nen im Auslaßbereich des Hauptbrenners umlaufenden Ringkanal ausgebildet, der mit einer Brennstoffzuleitung verbunden ist und mit den Auslaßöffnungen in Verbindung steht. Der umlau­ fende Ringkanal umgibt den Auslaßbereich des Hauptbrenners quasi wie ein Kragen, in welchem die Auslaßöffnungen angeord­ net sind, vorzugsweise nach innen in Richtung auf das Zentrum des Auslaßbereiches gerichtet.

Um weder in der Anzahl, noch in der Querschnittsfläche der Auslaßöffnungen begrenzt zu sein, wird in einem besonders be­ vorzugten Ausführungsbeispiel der umlaufende Ringkanal in ei­ nen unteren Ringkanal und einen oberen Ringkanal unterteilt, welche über eine Drosselstelle miteinander verbunden sind, wobei der obere Ringkanal mit der Brennstoffzuleitung verbun­ den ist und der untere Ringkanal mit den Auslaßöffnungen in Verbindung steht. Auf diese Weise wird die Brennstoffmenge des sekundären Pilotbrenners durch die Drosselstelle bestimmt und nicht durch den Querschnitt der Auslaßöffnungen und deren Anzahl. Dadurch wirkt der untere Ringkanal wie eine Resonanz­ kammer, so daß die an den Auslaßöffnungen ausströmende Brenn­ stoffmenge vom Außendruck beeinflußt wird, was bei geeigneter Auslegung und Dimensionierung dieses unteren Ringkanals bei Druckschwingungen, also beispielsweise beim Brummen der Bren­ neranordnung, stark dämpfend wirkt.

Die Auslaßöffnungen können erfindungsgemäß bevorzugt mit etwa gleichen Abständen ringförmig im Auslaßbereich des Hauptbren­ ners angeordnet sein. Diese Anordnung ist symmetrisch nach allen Seiten und führt zu einer allseitigen gleichmäßigen Stabilisierung.

Alternativ ist es auch möglich, die Auslaßöffnungen mit un­ terschiedlichen Abständen ringförmig im Auslaßbereich des Hauptbrenners anzuordnen, was insbesondere bei Brennkammeran­ ordnungen mit mehreren Brennern sinnvoll ist, um Häufungen von Auslaßöffnungen in Bereichen, in denen sich zwei Brenner sehr nahe kommen, zu vermeiden. Außerdem neigt eine ungleich­ mäßige Verteilung der Auslaßöffnungen weniger zum Schwingen und damit zu Instabilitäten als eine gleichmäßige, weil sich bei Druckstößen durch unterschiedliche Abstände auch unter­ schiedliche Laufzeiten der Druckwellen zu oder von den ein­ zelnen Auslaßdüsen ergeben, was zumindest teilweise zu einer gegenseitigen Auslöschung solcher Druckwellen führt und damit Instabilitäten dämpft.

Auch bezüglich der Form der Auslaßöffnungen besteht ein brei­ ter Spielraum. Insbesondere bevorzugt werden erfindungsgemäß runde oder ovale Auslaßöffnungen, die besonders einfach her­ stellbar sind.

Je nach Brenngeometrie können die Auslaßöffnungen jedoch auch eine polygonale Berandung haben, insbesondere die Form eines Dreiecks mit in Gasströmungsrichtung zeigender Spitze.

Die Brenneranordnung mit dem sekundären Pilotbrenner ist er­ findungsgemäß so ausgelegt, daß zwischen 0 und 10% der bei Grundlast von der Brenneranordnung benötigten Brennstoffmenge den Auslaßöffnungen zuführbar sind, insbesondere in Form von Brenngas. Je nach Betriebsweise der Brenneranordnungen kann es sinnvoll sein, den zentralen primären Pilotbrenner, der erfindungsgemäß nunmehr durch den sekundärem Pilotbrenner un­ terstützt wird, in seiner Brennstoffzufuhr entsprechend zu drosseln, um insgesamt den Anteil an Brennstoff, der durch die Pilotbrenner zugeführt wird, nicht übermäßig zu erhöhen.

Bei den Brenneranordnungen nach dem Stand der Technik ist es bekannt, daß der Hauptbrenner und der primäre Pilotbrenner im Vormischbetrieb, im Diffusionsbetrieb oder in einem Mischbe­ trieb aus beiden Betriebsarten betreibbar sind, wobei der Hauptbrenner und der primäre Pilotbrenner auch für wahlweisen Betrieb mit flüssigen und gasförmigen Brennstoffen ausgelegt sein können. Alle diese Betriebsweisen sind auch bei einer Brenneranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung möglich. Zusätzlich ist es auch möglich, den sekundären Pilotbrenner mit einem vorgemischten Gemisch aus Brennstoff und Luft als Vormischbrenner zu betreiben, was insbesondere zur Reduzie­ rung der Erzeugung von Stickoxyden beiträgt.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Betrieb einer Brenneranordnung, insbesondere zur Vermeidung von In­ stabilitäten in der Feuerungskammer, des damit verbundenen Brummens und des möglichen Rückschlagens der Flamme in Teil­ bereiche eines Brenners, wobei die Brenneranordnung einen von einem primären Pilotbrenner stabilisierten Hauptbrenner auf­ weist und erfindungsgemäß die Flamme des Hauptbrenners durch einen sekundären Pilotbrenner zusätzlich stabilisiert wird, wobei der sekundäre Pilotbrenner mehrere um den Auslaßbereich des Hauptbrenners herum verteilte Auslaßöffnungen aufweist, die separat gesteuert oder geregelt mit Brennstoff oder Brennstoffgemisch versorgt werden. Dieses erfindungsgemäße Verfahren ergibt einen weiteren Parameter zur besonders si­ cheren und umweltfreundlichen Steuerung einer Brenneranord­ nung. Die Stabilisierung der Flamme des Hauptbrenners durch einen äußeren sekundären Pilotbrenner verhindert instabile Betriebszuständen wie das Brummen in der Feuerungsanlage und damit auch das Zurückschlagen der Flamme in Teilbereiche ei­ nes Brenners.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, auf wel­ ches diese jedoch nicht beschränkt ist, ist teilweise schema­ tisch im Querschnitt in der Zeichnung dargestellt.

Die Zeichnung zeigt den unteren Teil einer Brenneranordnung, wie sie zum Beispiel in der EP 0 193 838 B1 ausführlich be­ schrieben ist. Die aus dieser Schrift bekannten Komponenten sind daher nur schematisch dargestellt und teilweise auch weggelassen.

Beim Lastbetrieb einer solchen Brenneranordnung wird ein Hauptbrenner 1 mit Hauptverbrennungsluft 2 versorgt in welche feinverteilt in einer Hauptbrenngaseindüsung 3 Brenngas und/oder in einer Hauptbrennöleindüsung 4 Brennöl eingedüst wird. Dies erfolgt im Bereich eines Hauptdrallerzeugers 5, insbesondere in Form eines Diagonalgitters. Auf diese Weise wird der Brennstoff mit der Hauptverbrennungsluft vorge­ mischt, so daß sich eine schadstoffarme Verbrennung erreichen läßt. Im Zentrum des Hauptbrenners 1 befindet sich in an sich bekannter Weise ein Pilotbrenner 15 zum Zünden und/oder zur Stabilisierung der Hauptflamme, dessen Verbrennungsluft durch einen Luftkanal 6 zugeführt wird. Für den Betrieb dieses Pi­ lotbrenners als Diffusionsbrenner gibt es einen zentralen Brennstoffkanal 7. Um den Pilotbrenner 15 auch als Vormisch­ brenner betreiben zu können, gibt es zusätzlich einen äußeren Brennstoffkanal 8. Grundsätzlich kann diese bekannte Brenner­ anordnung in sehr verschiedenen Betriebsweisen betrieben wer­ den unter Verwendung verschiedener Brennstoffe, weshalb sol­ che Brenner auch als Hybridbrenner bezeichnet werden.

Erfindungsgemäß befindet sich am unteren äußeren Rand des Hauptbrenners 1 ein Ringkanal 9, welcher mit Auslaßöffnungen 10 in Verbindung steht, welche im Auslaßbereich des Haupt­ brenners 1 ringförmig angeordnet sind. Die Abstände dieser Auslaßöffnungen können je nach Bedarf gleichmäßig oder un­ gleichmäßig sein. Auch die Formen und Querschnittsflächen dieser Auslaßöffnungen 10 sind je nach Bedarf in weiten Gren­ zen variierbar, wobei gleichmäßig verteilte runde Auslaßöff­ nungen 10 bevorzugt werden. Im vorliegenden Ausführungsbei­ spiel weist die Brennstoffversorgung der Auslaßöffnungen 10 einen unteren Ringkanal 9 auf, der über eine Drosselstelle mit einem oberen Ringkanal 11 in Verbindung steht, welcher wiederum über eine Brennstoffzuleitung 13 und ein Ventil 14 mit Brennstoff, vorzugsweise Brenngas, versorgt wird. Bei dieser Ausführungsform ist der Druck in dem oberen Ringkanal 11 etwa konstant, da der Hauptdruckverlust an der Drossel­ stelle 12 auftritt. Der untere Ringkanal 9 kann äußere Druck­ schwingungen in der Flamme des Hauptbrenners teilweise aus­ gleichen und wirkt so als eine Art Resonanzkammer. Ist der Druck in der Flamme hoch, so strömt kurzzeitig nur wenig Brennstoff durch die Auslaßöffnungen 10 des sekundären Pi­ lotbrenners, bei wieder abfallendem Außendruck strömt mehr Brenngas nach. Dieses Verhalten dämpft Außenschwingungen und vermindert damit das Brummen, welches bei Instabilitäten der Flammen in einer Feuerungsanlage auftreten kann.

Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders zur zusätzli­ chen Stabilisierung von Brenneranordnungen in Gasturbinenkam­ mern und vermeidet das Zurückschlagen der Flamme in einer Brenneranordnung oder vermindert zumindest das sich daraus ergebende Brummen.

Claims (11)

1. Brenneranordnung für eine Feuerungsanlage, insbesondere eine Gasturbinenbrennkammer, mit einem Hauptbrenner (1) und einem zentral darin angeordneten primären Pilotbrenner (15), der zum Zünden und/oder zum Stabilisieren der Verbrennung des Hauptbrenners dient, dadurch gekennzeichnet, daß im Aus­ laßbereich des Hauptbrenners (1) ein sekundärer Pilotbrenner mit einer Mehrzahl von Auslaßöffnungen (10) angeordnet ist.

2. Brenneranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Aus­ laßbereich des Hauptbrenners (1) ein umlaufender Ringkanal (9, 11) angeordnet ist, der mit einer Brennstoffzuleitung (13) verbunden ist und mit den Auslaßöffnungen (10) in Ver­ bindung steht.

3. Brenneranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der um­ laufende Ringkanal einen unteren Ringkanal (9) und einen obe­ ren Ringkanal (11) aufweist, welche über eine Drosselstelle (12) miteinander verbunden sind, wobei der obere Ringkanal (11) mit der Brennstoffzuleitung (13) verbunden ist und der untere Ringkanal (9) mit den Auslaßöffnungen (10) in Ver­ bindung steht.

4. Brenneranordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus­ laßöffnungen (10) mit etwa gleichen Abständen ringförmig im Auslaßbereich des Hauptbrenners (1) angeordnet sind.

5. Brenneranordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus­ laßöffnungen (10) mit unterschiedlichen Abständen ringförmig im Auslaßbereich des Hauptbrenners (1) angeordnet sind.

6. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus­ laßöffnungen (10) rund oder oval sind.

7. Brenneranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus­ laßöffnungen (10) eine polygonale Berandung haben, insbeson­ dere in Form eines Dreiecks mit in Gasströmungsrichtung zei­ gender Spitze.

8. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Brenn­ stoffzuleitung (13), umlaufender Ringkanal (9, 11) und Aus­ laßöffnungen (10) so ausgelegt sind, daß zwischen 0 und 10% der bei Grundlast von der Brenneranordnung benötigten Brenn­ stoffmenge den Auslaßöffnungen (10) zuführbar sind, insbeson­ dere in Form von Brenngas.

9. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptbrenner (1) und der primäre Pilotbrenner (15) im Vor­ mischbetrieb, im Diffusionsbetrieb oder in einem Mischbetrieb aus beiden Betriebsarten betreibbar sind, wobei der Haupt­ brenner (1) und der primäre Pilotbrenner (15) auch für wahl­ weisen Betrieb mit flüssigen und gasförmigen Brennstoffen ausgelegt sein können.

10. Brenneranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der se­ kundäre Pilotbrenner mit einem vorgemischten Gemisch aus Brennstoff und Luft als Vormischbrenner betreibbar ist.

11. Verfahren zum Betrieb einer Brenneranordnung, insbeson­ dere zur Vermeidung des Rückschlagens einer Flamme und des damit verbundenen Brummens der Brenneranordnung, wobei die Brenneranordnung einen von einem primären Pilotbrenner (15) stabilisierten Hauptbrenner (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Flam­ me des Hauptbrenners (1) durch einen sekundären Pilotbrenner zusätzlich stabilisiert wird, wobei der sekundäre Pilotbren­ ner mehrere um den Auslaßbereich des Hauptbrenners (1) herum verteilte Auslaßöffnungen (10) aufweist, die separat gesteu­ ert oder geregelt mit Brennstoff oder Brennstoffgemisch ver­ sorgt werden.