DE3000672A1

DE3000672A1 - Gasturbinenbrenner und betriebsverfahren

Info

Publication number: DE3000672A1
Application number: DE19803000672
Authority: DE
Inventors: Roger Arthur Farrell; Bruce William Gerhold; Robert Alan Jorgensen
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-01-12
Filing date: 1980-01-10
Publication date: 1980-07-24
Also published as: NL187769B; GB2098720A; NO150616C; DE3000672C2; FR2446443A1; IT1130186B; JPS638373B2; NL7909203A; GB2040031B; FR2446443B1; IT8019051A0; GB2040031A; NO794284L; NL187769C; NO150616B; GB2098720B; JPS55112933A

Description

Gasturbinenbrenner und Betriebsverfahren

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner und eine Brenneranordnung für eine stationäre Gasturbine sowie auf ein Verfahren zum Betreiben derselben.

In den letzten Jahren haben sich Gasturbinenhersteller zunehmend mit Schadstoffemissionen beschäftigen müssen. Von besonderer Wichtigkeit waren die Emissionen an Stickoxiden (NO ), weil diese Oxide ein Vorläufer der Luftverschmutzung sind.

Es ist bekannt, daß die Bildung von Stickoxiden mit zunehmender Flammtemperatur und mit zunehmender Verweilzeit zunimmt. Es ist deshalb theoretisch möglich, die Stickoxidemissionen zu verringern, indem die Flammtemperatur und/oder die Zeit, während der die reagierenden Gase auf den Spitzentemperaturen bleiben, verringert werden. In der Praxis ist das jedoch wegen der Wirbeldiffusionsflammeigenschaften

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von modernen Gasturbinenbrennerη schwierig zu erreichen. In solchen Brennern erfolgt die Verbrennung in einer dünnen, die verdampfenden Tröpfchen flüssigen Brennstoffes umgebenden Schicht bei einem Brennstoff/Luft-Äquivalenzverhältnis nahe eins ungeachtet des Äquivalenzverhältnisses der gesamten Reaktionszone. Da es sich dabei um den Zustand handelt, der zu der höchsten Flammtemperatur führt, werden relativ große Mengen an Stickoxid erzeugt. Infolgedessen können mit den herkömmlichen einstufigen Einzelbrennstoffdüsenzerstäubungsbrennern die neuerlich erlassenen Emissionsbestimmungen nicht eingehalten werden, und zwar ungeachtet dessen, wie mager das Nennäquivalenzverhältnis der Reaktionszone ist.

Es ist bekannt, daß das Einspritzen von beträchtlichen Mengen an Wasser oder Dampf die Stickoxiderzeugung so verringern kann, daß mit den herkömmlichen Brennern die Forderungen einer niedrigen Stickoxidemission eingehalten werden können. Dieses Einspritzen hat jedoch auch viele Nachteile, zu denen eine Erhöhung der Systemkomplexität, eine Erhöhung der Betriebskosten aufgrund der Notwendigkeit der Wasserbehandlung und die Verschlechterung von anderen Leistungsparametern gehören.

Versuche zum Erzielen einer homogenen mageren Reaktionszone durch externes Vorverdampfen und Vormischen von Brennstoff und Luft mit mageren Äquivalenzverhältnissen haben zu nur begrenzt anwendbaren Ergebnissen geführt. Diese Entwürfe sind typischerweise für saubere, sehr flüchtige Brennstoffe, wie Benzin, Düsenbrennstoff, usw., für einen Regenerativzyklus (erhöhte Brennereinlaßtemperatur) und bei verringerten Drücken (weniger als 10,1 bar (10 atmospheres)) benutzt worden. Neben der Erhöhung der Komplexität ist ein großer Nachteil dieser Lösung die Gefahr einer Selbstzündung

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und eines Flairanenrückschlags. Bei einem Druck von 10,1 bar (10 atmospheres) ist die Verweilzeit, die zur vollständigen Verdampfung von Destillatbrennstoff erforderlich ist, und die Zeit zur Selbstzündung beinahe dieselbe, vgl. z.B. den ASME Vorabdruck 77-GT-69.

Das Problem des Verringerns der Stickoxidemissionen bringt weitere Komplexität mit sich, wenn es erforderlich ist, andere Verbrennungsentwurfskriterien einzuhalten. Zu diesen Kriterien zählen gute Zündeigenschaften, ein gutes Querzünd(crossfiring)-Vermögen, Stabilität über den gesamten Belastungsbereich, eine große prozentuale Mindestdurchsatzmenge, eine niedrige Querzahl (traverse number), eine lange Lebensdauer und die Fähigkeit, sicher zu arbeiten.

Einige der Faktoren, die zur Bildung von Stickoxiden aus Brennstoffstickstoff und Luftstickstoff führen, sind bekannt und es sind Anstrengungen gemacht worden, verschiedene Brennerarbeitsweisen an diese Faktoren anzupassen, vgl. z.B. die üS-PSen 3 958 416, 3 958 413 und 3 946 553. Die bislang angewandten Verfahren sind jedoch entweder nicht an die Verwendung in einem Brenner für eine stationäre Gasturbine anpaßbar oder sind aus den unten angegebenen Gründen ungeeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein neues zweistufiges Verbrennungssystem mit zwei Betriebsarten für eine Gasturbine zu schaffen, das in dem gesamten Gasturbinenzyklus bei Flammtemperaturen arbeitet, bei denen bei Verwendung von verschiedenen gasförmigen und Destillatbrennstoffen die Schadstoffemissionen auf akzeptable Werte wesentlich verringert werden.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden

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unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung von drei Brennern nach der Erfindung, die ein Hochbelastungszündsystem haben, und

Fig. 4 ein Diagramm, das die Brennstoffzufuhr im Betrieb der Brenner in Abhängigkeit von der Zeit zeigt.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brenner für eine stationäre Gasturbine und beispielsweise auf eine Anordnung von Brennern sowie auf.ein Verfahren zum Betreiben derselben, um Stickoxidemissionen zu verringern. Insbesondere hat der Brenner zwei Brennkammern, die über einen Halsteil miteinander verbunden sind, getrennte Brennstoffeinleiteinrichtungen für jede Sektion und Einrichtungen zum Regulieren der Brennstoffzufuhr zu jeder Brennstoffeinspritzeinrichtung relativ zu den anderen. Für den Fall, daß es zu einem Flammabriß kommt, sind die Brenner mit einem Hochbelastungszündsystem versehen, indem jede erste Sektion von benachbarten Brennern und jede zweite Sektion von benachbarten Brennern durch Querzündrohre miteinander verbunden sind. Der Brenner wird betrieben, indem zuerst Brennstoff nur in die erste Sektion eingeleitet und darin zum Verbrennen gebracht wird. Anschließend wird die Brennstoffzufuhr auf die zweite Sektion umgeschaltet, bis das Verbren-

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nen in der ersten Sektion aufhört, woraufhin die Brennstoffverteilung wieder für Mischzwecke auf die erste Sektion umgeschaltet wird, bis die gewünschte Stickoxidverringerung erzielt worden ist.

Gemäß den Fig. 1 und 2 hat der Brenner 1 nach der Erfindung insgesamt eine erste Verbrennungszone oder -Sektion 2, die mit einer Hals- oder Verengungssektion oder -zone 3 verbunden ist, welche ihrerseits mit einer zweiten Verbrennungszone oder -Sektion 4 verbunden ist.

Die erste Verbrennungszone 2 kann eine herkömmliche Magerbrennerkonstruktion sein, bei der eine einzelne, vorzugsweise axialsymmetrische Brennstoffdüse 5 benutzt wird. Der zweiten Verbrennungszone 4 wird Brennstoff aus mehreren Brennstoffdüsen 6 zugeführt. In den Fig. 1 und 2 sind vier radiale Düsen symmetrisch auf dem Brennerumfang angeordnet dargestellt, bei Bedarf kann aber jede Anzahl von Düsen benutzt werden. Luft aus dem Gasturbinenverdichter (nicht gezeigt) wird in den Brenner bei erhöhtem Druck, typischerweise von etwa 10,1 bis 30,4 bar (10-30 atmospheres), eingeleitet. Beispielsweise kann die Luft über eine oder mehrere Lufteintrittsöffnungen 7, 7' eingeleitet werden. Die öffnungen 7, die sich in der ersten Verbrennungszone 2 befinden, sind vorzugsweise so angeordnet, daß sie einen Strömungsumlauf verursachen, der zu einer stabilen Verbrennung in einem weiten Betriebsbereich führt. Es sind Vorkehrungen getroffen, um die Verbrennungsprodukte in der Zone 4 mit einem geeigneten Wärmeaustauschfluid schnell abzukühlen. Beispielsweise kann Abschreckluft in die Zone 4 über mehrere Löcher 8 eingelassen werden. Die Menge an verwendetem Wärmeaustauschfluid reicht aus, um die Verbrennungsprodukte so zu kühlen, daß die Fluidtemperatur auf die gewünschte Gasturbinenbrenntemperatur verringert wird.

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Die Zonen 2, 3 und 4 haben zwar vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt, es kann jedoch jede gewünschte Konfiguration benutzt werden. Das Baumaterial kann Metall oder Keramik sein und die Zonen können durch verschiedene Verfahren oberflächengekühlt werden, beispielsweise durch Wasserkühlung, durch Kühlung in einem geschlossenen System, durch Dampffilmkühlung und durch herkömmliche Luftfilmkühlung. Eine benutzbare Anordnung von Ringreihen von in schematischem Abstand angeordneten Leitblechen längs der Zonenwände zum Erzeugen einer Luftfilmkühlung ist beispielsweise in der US-PS 3 777 484 beschrieben, während eine benutzbare Anordnung einer Schlitzkühlung beispielsweise in der US-PS 3 728 039 beschrieben ist.

Es ist zu erkennen, daß der Hals oder die Verengung 3 als ein aerodynamischer Trenner oder Isolator zwischen der ersten Verbrennungszone 2 und der zweiten Verbrennungszone 4 dient.Damit der Hals 3 diese Funktion in geeigneter Weise erfüllen kann, muß er einen ausreichend verringerten Durchmesser in bezug auf die erste Zone 2 und die zweite Zone 4 haben. Im allgemeinen wird ein Verhältnis des Durchmessers der ersten Verbrennungszone 2 oder der zweiten Verbrennungszone 4, je nachdem, welcher kleiner ist, zu dem Durchmesser der Halszone 3 von wenigstens 1,2:1 und vorzugsweise von wenigstens etwa 1,5:1 verwendet. Zum Erleichtern eines glatten Überganges zwischen der ersten Verbrennungszone 2 und dem Hals 3 hat der am weitesten stromabwärts gelegene Teil 2a der Zone 2 einen gleichmäßig abnehmenden Durchmesser, d.h. einen konischen Querschnitt. Die Länge des Halses 3 in Richtung seiner Längsachse ist unkritisch und jede Länge, die die Trennfunktion sowie die Drosselungsfunktion des Halses 3 ergibt, kann benutzt werden. Im allgemeinen ist die Länge der ersten Verbrennungszone 2 in Richtung der Längsachse wenigstens etwa dreimal so groß wie die Länge des

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Halses 3 und vorzugsweise wenigstens etwa fünfmal so groß wie die Länge des Halses 3. Die zweite Verbrennungszone 4 hat dieselbe Gesamtkonfiguration wie die erste Zone 2, selbstverständlich mit der Ausnahme, daß der konische übergangsteil der am weitesten stromaufwärts gelegene Teil 4a der Zone 4 ist, der sie mit dem Hals 3 verbindet.

Eine zweite und bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 2 gezeigt, in welcher gleiche Teile gleiche Bezugszahlen wie in Fig. 1 tragen. Die in Fig. 2 gezeigte Anordnung unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten in folgender Hinsicht. Erstens ist der Durchmesser der Verengung 3 verringert worden, um die mittlere Luftgeschwindigkeit durch die Zone zu vergrößern, was eine Konstruktion ergibt, die hinsichtlich des Verhinderns eines Flammenrückschlages wirksamer ist. Zweitens ist die Höhe (d.h. die Länge in Richtung der Längsachse) des konvergenten konischen Teils 2a vergrößert worden. In dieser Ausführungsform sind die Brennstoffdüsen 6 von der Verengung 3 zu dem divergenten konischen Teil 4a der zweiten Zone 4 verlegt und in Minibrennkammern oder Wirblerbechern 9 zurückgesetzt worden, in denen der Betrieb der sekundären Brennstoffdüsen 6 stabiler ist und die Wahrscheinlichkeit, daß es während der unten beschriebenen Brennstoffumschaltprozeduren zu einem Flammabriß kommt, geringer ist.

Fig. 3 zeigt als Beispiel drei miteinander verbundene Brenner nach der Erfindung. Die erste Verbrennungszone 2 jedes Brenners 1 ist mit der ersten Verbrennungszone 2 der benachbarten Brenner 1 über ein Querzündrohr 1O in herkömmlicher Weise verbunden. Darüber hinaus ist bei der Erfindung die zweite Verbrennungszone 4 jedes Brenners 1 mit der zweiten Verbrennungszone 4 jedes benachbarten Brenners 1 über ein Querzündrohr 11 verbunden. Bei den Entwurfshoch-

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belastungsbetriebszuständen der Brenner nach der Erfindung erfolgt, was im folgenden noch näher beschrieben ist, das Verbrennen nur in der zweiten Zone 4 und kein Verbrennen erfolgt in der ersteh Zone 2. Wenn aus irgendeinem Grund in einer Kammer die Flamme unter solchen Hochbelastungszuständen abreißt, kann in herkömmlichen Anordnungen keine Querzündung erfolgen, da die Standardquerzündrohre 10 stromaufwärts der Reaktionszone 4 angeordnet sind und da der Hals 3 zum Verhindern eines Flammenrückschlages dient. In der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform dient die zweite Gruppe von Querzündrohren 11 als Hochbelastungszündsystem. Es ist zwar vorzuziehen, beide Gruppen von Querzündrohren (d.h. die Rohre 10 und 11) zu benutzen, bei Bedarf kann jedoch jedes Hochbelastungswiederzündsystem in das Brennersystem eingebaut werden.

Der Betrieb der Brenner nach der Erfindung ist in Fig. 4 graphisch dargestellt. Die Verbrennung beginnt durch Zünden eines Gemisches aus Kohlenwasserstoffbrennstoff und Luft in der ersten Verbrennungszone 2. Das wird in herkömmlicher Weise mittels einer Zündkerze 12 erreicht, die in der Nähe der Brennstoffdüse 5 in der ersten Verbrennungszone 2 angeordnet ist. In typischen herkömmlichen Anlagen sind zehn Brenner zu einem Ring angeordnet und gewöhnlich sind von den Brennern nur zwei mit Zündkerzen 12 versehen, während die übrigen acht Brenner durch Querzündung über die Querzündrohre 10 gezündet werden. Während des Zündens und Querzündens und außerdem während des Niederbelastungsbetriebes der Brenner führt nur die Primärbrennstoffdüse 5 dem Brenner 1 Brennstoff zu. Bis zu diesem Punkt hat die Verbrennung die einstufige, heterogene Wirbeldiffusionsflammbrenncharakteristik von herkömmlichen Brennern.

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Bei einem Belastungszustand im mittleren Bereich, dessen exakte Zeitsteuerung auf die Stabilitätsgrenzen und die Schadstoffemissionseigenschaften jeder Betriebsart und die Brennstoffaufteilung auf die Stufen bezogen ist, werden die Sekundärbrennstoffdüsen 6 aktiviert. Der Übergang des gezündeten Brennstoffes aus der ersten Zone 2 in die zweite Zone 4 führt zur Zündung in der zweiten Zone 4. Der Brenner arbeitet nun in einer zweistufigen heterogenen Betriebsart, die sich fortsetzt, bis die gewünschte Grundbelastung erzielt ist. Nachdem eine kurze Zeitspanne zum Stabilisieren und Aufwärmen gewährt worden ist, wird die Arbeitsweise aus einer zweistufigen heterogenen Verbrennung in eine einstufige homogene Verbrennung umgewandelt. Diese Prozedur beginnt durch gleichzeitiges Vergrößern der Menge an Brennstoff, der den Sekundärdüsen 6 zugeführt wird, und Verringern der Menge an Brennstoff, der der Primärdüse 5 zugeführt wird, während die Gesamtbrennstoffzufuhr konstant bleibt. Die Relativmengen der Brennstoffzufuhr zu den Düsen 5 und 6 können durch einen Brennstoffzufuhrregier 13 kontrolliert werden, der zwischen die Düse 5 und die Düsen 6 geschaltet ist. Die Änderung der Brennstoffverteilung setzt sich fort, bis die Flamme in der ersten Verbrennungszone 2 ausgeht, was in den meisten Fällen dann erfolgt, wenn die gesamte Brennstoffzufuhr auf die Sekundärdüsen 6 umgeschaltet worden ist.

Die Brennstoffzufuhr zu der Düse 5 wird dann wieder aufgenommen oder vergrößert und die Zufuhr zu den Düsen 6 wird verringert, während die Gesamtbrennstoffzufuhr im wesentlichen konstantgehalten wird. Der Brenner 1 wird so ausgelegt, daß es bei normalem Betrieb zu keinem Flammenrückschlag kommt, indem die erste Zone 2 lang genug gemacht wird, so daß der Strömungsquerschnitt gleich dem einer voll ausgebildeten turbulenten Rohrströmung ist, und indem die Verengung 3 schmal genug gemacht wird, so daß die Geschwindigkeit auf einen Wert erhöht, wird, oberhalb welchem die

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Flammengeschwindigkeit nicht überwunden werden kann. Infolgedessen kommt es zu einem Vormischen der Mehrheit des Brennstoffes und der Luft in der ersten Stufe (d.h. in der ersten. Zone 2) und zum homogenen Verbrennen in der zweiten Stufe, d.h. in der zweiten Zone 4. Die Umschaltung der Brennstoffverteilung von den Sekundärdüsen 6 auf die Primärdüse 5 bleibt bestehen, bis die gewünschten niedrigen Schadstoffemissionswerte erreicht sind. Die gewünschten Werte sind erreicht, wenn die Mehrheit der Brennstoffzufuhr über die Düse 5 geht, und in den meisten Fällen, wenn wenigstens 60% der Brennstoffzufuhr über die Düse 5 gehen.

Es sei beachtet, daß ein wichtiges Merkmal des Brenners nach der Erfindung darin besteht, daß, wenn es zu einem Flammenrückschlag kommen sollte, es keine Hardwarekatastrophe wie bei typischen Konstruktionen mit Vormischung darstellt. Es würde jedoch zu einer beträchtlichen Mehrerzeugung an Stickoxiden kommen und es müßten Steuerschritte unternommen werden, um wieder die Umschaltprozedur durchzuführen und den Betrieb in der homogenen Betriebsart wieder aufzunehmen.

Während des Abschältens der Gasturbine werden Schritte ausgeführt, um die erste Zone 2 wieder zu zünden, weil es in der homogenen Betriebsart nur eine kleine Mindestdurchsatzmenge gibt. Das Wiederzünden der ersten Stufe bedeutet, daß eine Rückkehr zu der heterogenen zweistufigen Verbrennung erfolgt, bei der das System eine große Mindestdurchsatzmenge hat, die gestattet, die Turbine langsam herunterzufahren, um unerwünschte Wärmespannungen zu mindern.

Zum Veranschaulichen der Verringerung an Stickoxidemiss ionon, die durch die Erfindung erzielt wird, wurde ein gemäß der Erfindung hergestellter Brenner mit einem herkömmlichen,

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im Handel erhältlichen Brenner mit einer MS 7001E-Ausrüstung verglichen. Der Brenner nach der Erfindung hatte den in Fig. 1 gezeigten Aufbau und es wurden eine einzelne Luftzerstäubungsdüse MS 7001E als Primärdüse 5 und vier kleinere Druckzerstäubungssekundärdüsen 6 verwendet. Daten wurden bei etwa 1138 ⁰C (2O8O°F), dem labormäßigen Äquivalent der Grundbelastung (korrigiert für Strahlungsverluste an den Thermoelementen), aufgenommen. Unter diesen Bedingungen hatte der herkömmliche Standardbrenner im Labor eine Stickoxidemission von 120 Vol.ppm (ppmv), während ein Brenner nach der Erfindung nur 56 Vol.ppm emittierte. Dieser Test wurde unter Verwendung einer Zufuhr an gebrauchter Luft durchgeführt, was bedeutet, daß die Verbrennungsprodukte aus einem Direktheizkörper (wie einem Propanheizkörper), der zum Erhöhen der Lufttemperatur auf die richtigen Einlaßwerte diente, als Oxydationsmittel für die Verbrennung während des Tests benutzt wurden. Die Stickoxidemissionen sind deshalb niedriger als sie mit ungebrauchter Luft erzielt würden. Basierend auf diesen Laborergebnissen ist zu erwarten, daß der Betrieb des Brenners nach der Erfindung unter Feldbedingungen (d.h. bei der tatsächlichen Benutzung der Turbine mit ungebrauchter Luft) in der homogenen Betriebsart eine vergleichbare Verringerung der Stickoxidemxssionen zeigen würde. Es ist deshalb anzunehmen, daß Brenner nach der Erfindung die Bestimmungen einer niedrigen Stickoxidemission erfüllen.

Ein zweiter Test des erfindungsgemäßen zweistufigen Verbrennungssystems mit doppelter Betriebsart wurde durchgeführt, während welchem eine Zufuhr von gebrauchter Luft benutzt wurde und während welchem die Brenntemperatur konstant auf ungefähr 1132 °C (2O7O°F) blieb. An einem Punkt während des Anstiegs der Brennstoffzufuhr zu den Sekundärbrennstoffdüsen 6, als der Umfang der Brennstoffzufuhr über die Primärdüse 5 20% betrug und eine Verbrennung sowohl in

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der Verbrennungszone 2 als auch in der Verbrennungszone stattfand, betrug die Stickoxidemission etwa 95 Vol.ppm. Nach dem Umschalten von der zweistufigen heterogenen Verbrennungsbetriebsart auf die homogene Verbrennungsbetriebsart an einem Punkt, an dem ungefähr 14% des Brennstoffes über die Primärdüse (der ersten Stufe) flössen, betrugen die Stickoxidemissionen 93,5 Vol.ppm. Die Menge des zu der Primärdüse 5 fließenden Brennstoffes wurde dann von 14% auf einen Punkt vergrößert, an welchem ungefähr 70% der Gesamtbrennstoffzufuhr über die Primärdüse gingen, und die Stickoxidemission fiel weiter von 9 3,5 Vol.ppm auf etwa 49 VoI,ppm ab.

Es wurde ein dritter Test in ähnlicher Weise wie bei dem oben beschriebenen ersten Test durchgeführt, wobei aber eine Zufuhr an ungebrauchter Luft benutzt wurde, d.h. indirekt vorgeheizte Luft ohne Verbrennungsprodukte· Bei einer Brenntemperatur von etwa 1.127 ⁰C (2O6O°F) emittierte der herkömmliche Brenner etwa 260 Vol.ppm Stickoxid, während der Brenner nach der Erfindung, der in einer homogenen Betriebsart arbeitete, etwa 6 5 Vol.ppm emittierte. Der Brennstoff, der in jedem der oben genannten Tests benutzt wurde, war Nr.-2-Destillat.

Aus den vorstehenden Labortestdaten und insbesondere aus denen des dritten Tests, bei dem eine Zufuhr an ungebrauchter Luft benutzt wurde, kann der Fachmann die beträchtliche Verringerung (um einen Faktor vier) an Stickoxidemissionen erkennen, die durch den Brenner nach der Erfindung erzielt wurde. Durch die Verwendung von solchen Brennern werden die Stickoxidemissionswerte beträchtlich verringert und erfüllen die meisten Stickoxidemissionsbestimmungen.

Nachdem zwei Ausführungsformen der Erfindung und ihre Betriebsarten beschrieben worden sind, ist für den Fachmann

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besser verständlich, worin sich die Erfindung von dem aus den oben erwähnten Patentschriften bekannten Stand der Technik unterscheidet. Insbesondere scheint die US-PS 3 946 einen Brenner mit zwei Stufen und mit mehreren Brennstoffdüsen zur Emissionskontrolle zu beschreiben. Der Brennstoff und die Luft werden jedoch außerhalb der Flammrohrwand vermischt, was sich von der hier beschriebenen Erfindung unterscheidet. Außerdem gibt es bei dem Brenner nach der Erfindung einige Bedingungen, bei denen die Reaktion in einer heterogenen Betriebsart ohne Vormischung (d.h. während des Hochlaufes, während Teilbelastung und während Ausgleichsperioden der Grundbelastung) erfolgt, d.h. in einer Betriebsart, die bei dem in der vorgenannten US-PS beschriebenen Brenner nicht möglich ist. Die erfindungsgemäßen Betriebsarten erleichtern eine große prozentuale Mindestdurchsatzmenge, einfaches Zünden und Querzünden sowie Flammstabilität, was wesentliche Eigenschaften eines praktischen Entwurfes sind. Außerdem wird das Umschalten von der heterogenen auf die homogene Betriebsart gemäß der Erfindung erreicht, indem die Brennstoffaufteilung auf die Brennstoffdüsen der ersten und der zweiten Stufe verändert wird, ein Merkmal, was aus der vorgenannten US-Patentschrift nicht bekannt ist.

Die US-PSen 3 958 413 und 3 958 416 beziehen sich auf zweistufige Brenner, bei denen die Stufen durch einen konvergierenden-divergierenden Verengungsabschnitt getrennt sind. Außerdem wird die erste Stufe bei den aus beiden Patentschriften bekannten Brennern zu irgendwelchen Zeiten während des Zyklus als ein Abschnitt benutzt, in der die Verbrennung erfolgt, und zu anderen Zeiten in dem Zyklus als ein Abschnitt, in welchem das Vormischen erfolgt. Ein Flammenrückschlag verursacht deshalb keine Hardwarekatastrophe, wie es bei dem aus der US-PS 3 946 533 bekannten Brenner der Fall sein würde. Die beiden US-PSen scheinen außerdem

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eine variable Lufteinlaßgeometrie zum Verändern der Luftzufuhr zu den Stufen zu beschreiben, um den Übergang von heterogener Verbrennung in der ersten Stufe oder in der ersten und in der zweiten Stufe auf homogene Verbrennung nur in der zweiten Stufe zu erreichen. Im Gegensatz dazu wird bei der Erfindung mit variabler Brennstoffzufuhr zu den Stufen unter Verwendung von mehreren Brennstoffdüsen (statt der variablen Geometrie) und mit Veränderung der Brennstoffaufteilung statt der Luftaufteilung gearbeitet.

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Claims

Patentansprüche :

1/ Verfahren zum Betreiben eines Gasturbinenbrenners, um eine geringe Stickoxidemission zu erzeugen, wobei der Brenner eine erste und eine zweite Brennkammer hat, die durch eine Verengungskammer miteinander verbunden sind, und wobei die erste Kammer eine erste Brennstoffeinleitvorrichtung hat, während von der Verengungskammer und der zweiten Brennkammer wenigstens eine eine zweite Brennstoff einleitvorrichtung hat, gekennzeichnet durch die Schrittfolge:

a) kontinuierliches Einleiten von Brennstoff in die erste Kammer über die erste Brennstoffeinleitvorrichtung, um den Brennstoff darin zu verbrennen;

b) Beginnen des Einleitens von Brennstoff in die zweite Kammer über die zweite Brennstoffeinleitvorrichtung und Vergrößern der eingeleiteten Menge desselben, bis die Menge des über sämtliche Brennstoffeinleitvorrichtungen eingeleiteten Brennstoffes etwa der gewünschten

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Brennstoffeinleitmenge entspricht, wobei die Zündung des Brennstoffes in der zweiten Kammer infolge des Übertritts von Verbrennungsprodukten aus der ersten Kammer in die zweite Kammer beginnt;

c) Verringern der Menge an über die erste Brennstoffeinleitvorrichtung eingeleitetem Brennstoff und entsprechendes Vergrößern der Menge an über die zweite Brennstoffeinleitvorrichtung eingeleitetem Brennstoff, so daß die Gesamtmenge an eingeleitetem Brennstoff im wesentlichen konstant bleibt, bis wenigstens das Verbrennen von Brennstoff in der ersten Kammer aufhört; und

d) Vergrößern der Menge an über die erste Brennstoffeinleitvorrichtung eingeleitetem Brennstoff und entsprechendes Verringern der Menge an über die zweite Brennstoffeinleitvorrichtung eingeleitetem Brennstoff, so daß die Gesamtmenge an eingeleitetem Brennstoff im wesentlichen konstant bleibt, bis der gewünschte Wert der Stickoxidemission des Brenners erreicht ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffeinleitung über die erste Brennstoffeinleitvorrichtung in dem Schritt (c) verringert wird, bis die gesamte Brennstoffeinleitung über die zweite Brennstoffeinleitvorrichtung erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffverteilung am Ende des Schrittes (d) so ist, daß die Mehrheit des Brennstoffes über die erste Brennstoffeinleitvorrichtung eingeleitet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffverteilung am Ende des Schrittes (d) so ist, daß wenigstens 60% des gesamten Brennstoffes über

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die erste Brennstoffeinleitvorrichtung eingeleitet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffverteilung am Ende des Schrittes (d)so ist, daß die Mehrheit des Brennstoffes über die erste Brennstoff einleitvorrichtung eingeleitet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Brennstoffeinleitvorrichtung eine axialsymmetrische Brennstoffdüse benutzt wird und daß als zweite Brennstoffeinleitvorrichtung mehrere symmetrisch angeordnete Brennstoffdüsen benutzt werden.
7. Brenner für eine stationäre Gasturbine, der in der Lage ist, geringere Stickoxidemissionen beim Verbrennen eines Kohlenwasserstoffbrennstoffes zu erzeugen, gekennzeichnet durch eine erste Verbrennungszone (2), durch eine erste Kohlenwasserstoffbrennstoffeinleitvorrichtung (5), die so angeordnet ist, daß Brennstoff in die erste Zone eingeleitet wird,

durch Vorrichtungen (7) zum Einleiten von verdichteter Luft in die erste Zone,

durch eine Halszone (3), die mit der ersten Zone verbunden ist und eine Querschnittsfläche hat, die kleiner ist als die der ersten Zone,

durch eine zweite Verbrennungszone (4), die mit der Halszone verbunden ist und eine Querschnittsfläche hat, die größer als die der Halszone ist,

durch Vorrichtungen (7¹) zum Einleiten von verdichteter Luft in die zweite Zone,

durch eine zweite Kohlenwasserstoffbrennstoffeinleitvorrichtung (6), die so angeordnet ist, daß Brennstoff wenigstens in die Halszone oder in die zweite Zone eingeleitet wird.

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durch Vorrichtungen (8) zum Einleiten einer Abschreckmenge eines Wärmeaustausch^luids in die zweite Zone stromabwärts der Vorrichtungen zum Einleiten von verdichteter Luft in die zweite Zone, und

durch eine Einrichtung (13) zum Verändern der Relativmengen an Kohlenwasserstoffbrennstoff, die über die erste und über die zweite Kohlenwasserstoffbrennstoffeinleitvorrichtung fließen.
8. Brenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kohlenwasserstoffbrennstoffeinleitvorrichtung eine einzelne axialsymmetrische Brennstoffdüse (5) ist und daß die zweite Kohlenwasserstoffbrennstoffeinleitvorrichtung mehrere symmetrisch angeordnete Brennstoffdüsen (6) aufweist.
9. Brenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffdüsen (6) der zweiten Kohlenwasserstoffbrennstof feinleitvorrichtung jeweils so ausgebildet sind, daß sie Brennstoff in eine dritte Verbrennungszone (4a) einleiten, die Vorrichtungen (7") zum Einleiten von verdichteter Luft in die dritte Verbrennungszone enthält, und daß die dritte Verbrennungszone so angeordnet ist, daß der Brennstoff und die Luft aus ihr in die zweite Verbrennungszone (4) gehen.
10. Brenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, die zweite und die dritte Verbrennungszone (2, 4, 4a) und die Halszone (3) jeweils einen kreisförmigen Querschnitt haben.
11. Brenneranordnung für eine stationäre Gasturbine, mit mehreren benachbarten Brennern, von denen jeder eine erste und eine zweite Brennkammer hat, die durch einen Hals mit-

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einander verbunden sind, und von denen wenigstens einer eine Vorrichtung zum Zünden eines Brennstoffes in seiner ersten Kammer hat,

gekennzeichnet durch mehrere erste Querzündrohre (10), von denen jedes die erste Kammer (2) eines Brenners (1) mit der ersten Kammer (2) eines benachbarten Brenners(1) verbindet, und

durch mehrere zweite Querzündrohre (11), von denen jedes die zweite Kammer (4) eines Brenners mit der zweiten Kammer (4) eines benachbarten Brenners verbindet.
12. Brenneranordnung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch zehn Brenner, von denen jeder anderen Brennern benachbart ist.

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