DE60007608T2

DE60007608T2 - Brenner und verfahren zum betrieb einer gasturbine

Info

Publication number: DE60007608T2
Application number: DE60007608T
Authority: DE
Inventors: M. Robert KENDALL; J. Steven GREENBERG
Original assignee: Alzeta Corp
Current assignee: Alzeta Corp
Priority date: 1999-01-22
Filing date: 2000-01-21
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2020-01-22
Also published as: EP1144916A1; JP2002535598A; WO2000043714A1; US6199364B1; CA2354520C; US6330791B1; DE60007608D1; ATE257569T1; JP4463427B2; CA2354520A1; EP1144916B1

Description

STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brenner für Gasturbinen, wie in dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 definiert. Zudem betrifft die Erfindung ein Verbrennungsverfahren für Gasturbinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7. Genauer gesagt befasst sich die vorliegende Erfindung mit einem Brenner und einem Verfahren zum Betrieb von Gasturbinen mit möglichst geringen Emissionen von Luftschadstoffen, insbesondere von Stickstoffoxiden (NO_x). Ganz besonders ermöglichen der Brenner und der Prozess den Betrieb von Gasturbinen-Vergasungsbrennern bei hohem Luftüberschuss und erhöhtem Druck.
Der Entwicklung eines kompakten Brenners, der in die Gehäuse von Gasturbinen passen würde und Verbrennungsprodukte mit einem begrenzten Gehalt an atmosphärischen Schadstoffen [NO_x, Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (UHC)] hervorbrächte, ist es lange Zeit nicht gelungen, ein marktgerechtes Produkt zu liefern. 1981 offenbarte das amerikanische Patent Nr. 4,280,329 von Rackley et al. einen strahlenden Oberflächenbrenner in Form eines porösen, V-förmigen Keramikelements. Theoretisch war der vorgeschlagene Brenner interessant, aber praktisch wies er ernsthafte Mängel auf, wie etwa Zerbrechlichkeit, hohen Druckabfall durch den Brenner und begrenzte Wärmestromdichte. In der Technik der strahlenden Oberflächenverbrennung für Gasturbinen wurden seit dem Vorschlag von Rackley et al. keine Fortschritte gemacht.
Bemühungen zur Minimierung der Emissionen atmosphärischer Schadstoffe durch den Betrieb von Gasturbinen wurden auf verschiedene Lösungsvorschläge gerichtet. Die amerikanischen Patente Nr. 4,339,924; 5,309,709 und 5,457,953 sind Beispiele von Vorschlägen, die aufwändige und kostspielige Geräte einführen. Catalytica Inc. wirbt für einen katalytischen Vergasungsbrenner für Gasturbinen, der angeblich (San Francisco Chronicle, 21. November 1996) gerade bewertet wird. Kein einziger Vorschlag stellt ein einfaches, kompaktes Gerät bereit, und Katalysatoren sind kostspielig und haben eine begrenzte Lebensdauer.
Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, kompakte Brenner für Gasturbinen bereitzustellen, die eine oberflächenstabilisierte Verbrennung aufweisen, die bei hohen Feuerraten mit hohem Luftüberschuss vorgenommen wird, um möglichst geringe Schadstoffemissionen hervorzubringen.
Eine weitere wichtige Aufgabe ist es, Brenner für Gasturbinen bereitzustellen, die eine weitgehende Anpassung der Wärmestromdichte erlauben.
Eine damit zusammenhängende Aufgabe ist es, kompakte Brenner mit geringem Druckabfall und gleich bleibendem Betrieb in einem breiten Druckbereich und bei Luftüberschussänderung bereitzustellen.
Noch eine andere Aufgabe ist es, Brenner für Gasturbinen bereitzustellen, die einfach und haltbar aufgebaut sind.
Eine weitere Hauptaufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb von Gasturbinen bereitzustellen, um Verbrennungsprodukte mit einem sehr geringen Gehalt an atmosphärischen Schadstoffen hervorzubringen.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung hervor.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die oben dargelegten Aufgaben werden jeweils durch einen Brenner für Gasturbinen nach Patentanspruch 1 und ein Verbrennungsverfahren für Gasturbinen nach Patentanspruch 7 erreicht.
Grundsätzlich ist die in der vorliegenden Erfindung verwendete Brennerfront ein poröses, wenig leitfähiges Material aus Metall- oder Keramikfasern, das sich für die strahlende Oberflächenverbrennung eines dadurch geführten gasförmigen Brennstoff/Luft-Gemischs eignet. Eine bevorzugte Brennerfront ist eine Matte aus puröser Metallfaser, die, wenn sie bei Atmosphärendruck gezündet wird, eine strahlende Oberflächenverbrennung hervorbringt, mit verteilten Teilen oder Bereichen erhöhter Porosität, die Blaufeuerverbrennung bereitstellen. Eine derartige Brennerfront zeigt 1 des amerikanischen Patents Nr. 5,439,372 von Duret et al., die eine steife aber poröse Matte aus gesinterten Metallfasern mit verteilten Lochstreifen oder -bereichen offenbaren. Ein Lieferant einer porösen Metallfasermatte ist N.V. Acotech S.A. aus Zwevegem, Belgien. Wie es die Patentinhaber zeigen, werden Lochstreifen in der porösen Matte gebildet, um Blaufeuerverbrennung bereitzustellen, während die angrenzenden Bereiche der porösen Matte strahlende Oberflächenverbrennung bereitstellen.
Eine andere Form einer porösen Metallfasermatte, die von Acotech vermarktet wird, ist ein Gewirk, das aus Metallfasern bestehendem Garn hergestellt wird. Obwohl das Garn porös ist, stellen die Zwischenräume des Gewirks auf natürliche Art und Weise einheitlich verteilte Stellen erhöhter Porosität bereit. Daher stellt das Metallfasergewirk eine mit zahlreichen Blaufeuerstellen vermischte strahlende Oberflächenverbrennung bereit.
Noch eine andere Form einer porösen Brennerfront, die sich für die vorliegende Erfindung eignet, ist die perforierte Keramikfaserplatte, die in dem amerikanischen Patent Nr. 5,595,816 von Carswell offenbart wird und kleine Löcher aufweist, die für strahlende Oberflächenverbrennung wirksam sind, die einfach geändert wird, um verteilte Bereiche mit größeren Löchern für Blaufeuerverbrennung aufzuweisen.
Eine andere Version einer perforierten Keramik- oder Metallfaserplatte, die sich für die vorliegende Erfindung eignet, ist eine Platte, die einheitliche Löcher aufweist, die Blaufeuerverbrennung erzeugen, aber eine solche Platte ist mit einer vorgeschalteten Anordnung kombiniert, die den Strom auf ausgewählte Teile der Platte beschränkt, so dass diese Teile mit Oberflächenverbrennung in einer strahlenden oder fast strahlenden Betriebsart funktionieren. Eine Ausführungsform dieses Lösungsvorschlags könnte einfach eine andere perforierte Platte einbeziehen, die ein wenig von der Stromaufseite der Hauptplatte beabstandet ist. Die Löcher der Hilfsplatte sind so groß und verteilt, dass einige ihrer Löcher mit den Löchern der Hauptplatte übereinstimmen, so dass diese Löcher Blaufeuerverbrennung unterstützen. Die unperforierten Teile der Hilfsplatte, die mit den Löchern der Hauptplatte übereinstimmen, behindern den Strom des Brennstoff/Luft-Gemischs zu diesen Löchern, so dass sie Oberflächenverbrennung hervorbringen. Diese Hilfsplatte ist nicht unbedingt eine wenig leitfähige Platte wie die Hauptplatte, welche die Brennerfront darstellt. In diesem Fall dient die Hilfsplatte offensichtlich dazu, den Strom des Brennstoff/Luft-Gemischs durch ausgewählte Bereiche der perforierten, Keramik- oder Metallfaserplatte zu verringern.
Eine perforierte Hilfsplatte kann auch mit den verschiedenen anderen zuvor beschriebenen Brennerfrontformen verwendet werden; normalerweise trägt die Hilfsplatte dazu bei, einen einheitlichen Strom des Brennstoff/Luft-Gemischs auf die gesamte Brennerfront sicherzustellen. Mit dem aus einem Metallfasergarn bestehenden Gewirk stellt die Hilfsplatte sowohl eine Unterstützung für das Gewirk als auch einen einheitlichen Strom durch dieses bereit. Daher kann eine perforierte Hilfsplatte je nach der Brennerfront, mit der sie kombiniert ist, eine andere Funktion aufweisen. Insofern als die Brennerfront meistens zylindrisch ist, wie nachstehend beschrieben werden soll, wird die Hilfsplatte, die ebenfalls zylindrisch sein kann, nachstehend perforierte Hülse genannt.
Der vollständige erfindungsgemäße Brenner umfasst eine Brennerfront aus porösen Fasern, die über einem Verteilerkanal mit einem Einlass für die Einsprühung eines gasförmigen Brennstoff/Luft-Gemischs angebracht ist, eine perforierte Hülse innerhalb des Verteilerkanals hinter der Brennerfront und eine Metallauskleidung, die angeordnet ist, um angrenzend an die Brennerfront eine kompakte Verbrennungszone bereitzustellen. Ein derartiger Brenner wurde erfolgreich bei hohen Feuerraten oder hoher Wärmestromdichte und bei hohem Luftüberschuss betrieben, um Verbrennungsgase zu erzeugen, die nicht mehr als 5 ppm NO_x und kombiniert nicht mehr als 10 ppm CO und UHC enthalten. Durch die Luftüberschussregelung kann der Brenner Verbrennungsgase abgeben, die nicht mehr als 2 ppm NO_x und kombiniert nicht mehr als 10 ppm CO und UHC enthalten. Alle in der Beschreibung und den Ansprüchen erwähnten ppm (Partes per millionem) Werte von NO_x, CO und UHC sind Werte, die für 15 % O₂, dem Maßstab für Gasturbinen, korrigiert sind.
Bei den hohen Oberflächenfeuerraten, die für Brenner erforderlich sind, die in die Gehäuse von Gasturbinen passen, also mindestens ungefähr 1,577 kW/m² (500 000 BTU/hr/sf) (British Thermal Units pro Stunde pro Quadratfuß) Brennerfront, erzeugen die Flammen der Bereiche mit erhöhter Porosität eine derart starke Nichtoberflächenstrahlung, dass die normale Oberflächenstrahlung von den weniger porösen Bereichen verschwindet. Zweierlei Poren ermöglichen es jedoch, eine oberflächenstabilisierte Verbrennung, d.h. eine Oberflächenverbrennung, welche die an der Brennerfront hängenden blauen Flammen stabilisiert, beizubehalten. Zur Abkürzung werden Brenner, die Fronten mit zweierlei Poren aufweisen, als oberflächenstabilisierte Brenner bezeichnet.
Optisch ist das Aufflammen so kompakt, dass eine Zone starker Infrarotstrahlung in der Nähe der Brennerfront zu schweben scheint. Die Kompaktheit des Aufflammens wird durch die Metallauskleidung gefördert, welche die an die Brennerfront angrenzende Verbrennung beschränkt. Obwohl diese oberflächenstabilisierte Verbrennung je nach Einlasstemperatur bei ungefähr 40 % bis 150 % Luftüberschuss vorgenommen wird, kann es sein, dass die Verbrennungsprodukte nur 2 ppm NO_x und kombiniert nicht mehr als 10 ppm CO und UHC enthalten.
Die oben genannte Feuerrate von mindestens ungefähr 500 000 BTU/hr/sf Brennerfront gilt für eine Verbrennung bei Atmosphärendruck. Insofern als Gasturbinen bei erhöhten Drücken funktionieren, ist die Grundfeuerrate mit dem in Atmosphären ausgedrückten Druck zu multiplizieren. Z.B. bei einem absoluten Druck von 10,3 bar (150 Pfund pro Quadratzoll) oder 10,1 bar (10 Atmosphären), beträgt die minimale Nennfeuerrate 15,770 kW/m² (5 000 000 BTU/hr/sf). Es ist völlig unerwartet und tatsächlich erstaunlich, dass ein gleich bleibender Betrieb des oberflächenstabilisierten Brenners bei hohem Druck eine Feuerrate oder eine Wärmestromdichte in einer Höhe von 47,310 kW/m² (15 000 000 BTU/hr/sf) erlaubt. Diese Wärmestromdichte wird berechnet, um mindestens zehnmal so groß zu sein wie die des porösen Keramikfaserbrenners des oben genannten Patents von Rackley et al.; zudem würde sich die Keramikfaserbeschichtung des Brenners während des Betriebs bei hohem Druck und hohem Gasstrom auflösen.
Um die Beschreibung und das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, nehmen wir Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gasbrenner in einer ringförmigen Anordnung, die zwischen einem typischen Luftverdichter und einer Gasturbine angeordnet ist;
2 und 3 Schnittansichten verschiedener Brennergruppierungen um die Welle, die den Verdichter und die Turbine verbindet;
4 und 5 Längsschnittdarstellungen verschiedener Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brenners;
6 unterscheidet sich von 1 dadurch, dass sie den Brenner in einem Aufnahmeraum außerhalb des Gehäuses der Gasturbine zeigt;
7 zeigt wie 5 noch eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brenners; und
8, 9, 10 und 11 bilden vier verschiedene Ausführungsformen der nach der Erfindung verwendeten Brennerfront ab.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 stellt schematisch eine Gasturbine 10 mit dem Ablassteil des Luftverdichters 11, einem Verbrennungsabschnitt 12 und dem Einlassteil der Turbine 13 dar. Der Verdichter 11 und die Turbine 11 haben eine gemeinsame Achse 15. Die Brenner 16, die eine Front 18 mit zweierlei Poren aufweisen, sind ringförmig um die Welle 15 in dem Verbrennungsabschnitt 12 angeordnet. In 1 sind zwei Brenner 16 gezeigt, aber je nach Größe der Gasturbine 10 sind normalerweise sechs bis zwölf Brenner 16 einheitlich voneinander beabstandet in dem Verbrennungsabschnitt 12 um die Welle 15 herum angeordnet. Jeder Brenner 16 ist zylindrisch und weist eine äußere Metallauskleidung 17 auf, die von der Brennerfront 18 beabstandet ist.
Ein Teil der Druckluft, die den Verdichter 11 verlässt, dringt in den zylindrischen Hals 19 jedes Brenners 16 ein, und der Rest strömt außerhalb der Auskleidungen 17. Jeder Brenner 16 wird von der Röhre 20, die sich durch das Gehäuse der Gasturbine 10 erstreckt, mit gasförmigem Brennstoff versorgt. Die Röhre 20 mündet zwischen zwei beabstandeten Blöcken 21 (oder durch mehrere radiale Löcher in einem Block 21) in den Hals 19, wodurch der gasförmige Brennstoff veranlasst wird, radial in alle Richtungen in die Druckluft, die durch den Hals 19 strömt, zu strömen. Die sich ergebende Beimischung aus Brennstoff und Luft füllt den Brennerverteilerkanal 22. Von dort geht das Brennstoff/Luft-Gemisch durch die perforierte Hülse 23, die von der Brennerfront 18 mit zweierlei Poren beabstandet ist. Die Hülse 23 trägt dazu bei, einen einheitlichen Strom durch die ganze Brennerfront 18 bereitzustellen. Nach der Zündung verbrennt das die Brennerfront 18 verlassende Gemisch in Form einer kompakten Verbrennungszone, die optisch über die wenig porösen Bereiche hinweg flammenlos erscheint und über die sehr porösen Bereiche hinweg ein gleich bleibendes Flammenbild aufweist (oben als oberflächenstabilisierte Verbrennung bezeichnet). Unbedingt erforderlich für die erfindungsgemäße Verbrennung ist die Zuführung eines Brennstoff/Luft-Gemischs mit 40 % bis 150 Luftüberschuss bei einer Feuerrate von mindestens 1,557 kW/m²/bar (500 000 BTU/hr/sf/atm).
Ein Teil der Druckluft aus dem Verdichter 11 strömt durch den Verbrennungsabschnitt 12 in den Raum zwischen und um die verschiedenen zylindrischen Metallauskleidungen 17, die mehrere Öffnungen für den Luftdurchgang aufweisen. Somit dient die nicht für die Verbrennung verwendete Druckluft dazu, die Metallauskleidungen 17 abzukühlen und die Verbrennungsprodukte vor dem Eingang in den Turbinenabschnitt 13 abzukühlen. Die Auskleidungen 17 erstrecken sich bis zu dem Eingang des Turbinenabschnitts 13 und geben ein noch heißes, unter Druck stehendes Gasgemisch an die Tur bine 13 ab, um ihren Rotor anzutreiben und Energie zu erzeugen. Das den Motor 13 verlassende expandierte Gasgemisch kann in ein (nicht gezeigtes) Abwärmewiedererlangungssystem abfließen. Das geschlossene Ende des Brenners 16 wird in 1 mit der Brennerfront 18 und der perforierten Hülse 23 gezeigt. Wahlweise kann das Ende mit einer festen Platte verschlossen sein, aber der Brenner hat dann natürlich eine geringere Verbrennungskapazität.
2 ist eine schematische Ansicht von fünf Brennern 16, die parallel zu ihren geschlossenen Enden gesehen und einheitlich um die Welle 15 herum innerhalb der Verbrennungszone 12 der Gasturbine 10 beabstandet sind. Die fünf Brenner 16 umfassen einzelne Metallauskleidungen 17.
3 ist mit 2 identisch, außer dass die einzelnen Auskleidungen 17 durch ein Paar Metallauskleidungen 17A und 17B ersetzt wurden, welche die Verbrennung aller fünf Brenner 16 in einer ringförmigen Zone beschränken. Druckluft zum Kühlen der Auskleidungen 17A und 17B und zum Eindringen in die ringförmige Verbrennungszone durch die Öffnungen der Auskleidungen 17A, 17B strömt an der Länge der äußeren Oberfläche der Auskleidung 17A entlang und an der Länge der inneren Oberfläche der Auskleidung 17B entlang.
4 zeigt eine veränderte Form des Brenners 16. Das geschlossene Ende E ist durch eine von einer (nicht gezeigten) Isolierung geschützte undurchlässige Scheibe abgedichtet. Der kurze Hals 19 ist an einer kreisförmigen Platte 25 angebracht, die ein mittleres, spitz zulaufendes Loch 26 aufweist. Die Metallauskleidung 17 ist ebenfalls an der Platte 25 angebracht. Von der Platte 25 beabstandet ist eine andere kreisförmige Platte 27 mit einem mittleren Loch 28a, in dem ein spitz zulaufender Verschluss 29 beweglich ist, um den Zwischenraum zwischen den Verjüngungen des Lochs 26 und des Verschlusses 29 anzupassen. Eine Röhre 20 zur Versorgung mit gasförmigem Brennstoff geht durch die Hülse der Gasturbine 10 und ist mit einer ringförmigen Bohrung 30 in der Platte 27 verbunden. Die Bohrung 30 weist mehrere rechtwinklige Öffnungen 31 auf (von denen nur zwei gezeigt sind), die den gasförmigen Brennstoff auf die Platte 25 ablassen. Durch den Zwischenraum zwischen den Platten 25, 27 strömende Druckluft vermischt sich mit dem gasförmigen Brennstoff, der aus den Öffnungen 31 kommt, und füllt den Verteilerkanal 22. Von dort geht das Gemisch einheitlich durch die ganze zylindrische, perforierte Hülse 23 und die Brennerfront 18, um in der kompakten Zone zwischen der Front 18 und der Metallauskleidung 17 einer stabilisierten Oberflächenverbrennung unterzogen zu werden. Druckluft, die nicht durch den Zwischenraum zwischen den Platten 25, 27 strömt, strömt an der äußeren Oberfläche der Auskleidung 17 entlang, um deren Abkühlung vorzunehmen, während ein Teil der Luft durch mehrere Öffnungen in der Auskleidung 17 geht, um sich mit den Verbrennungsproduktgasen zu vermischen und somit ihre Temperatur zu mäßigen.
4 dient dazu, eine Möglichkeit zu zeigen, um eine gründliche Vermischung des gasförmigen Brennstoffs und der Druckluft sicherzustellen, und eine Möglichkeit, um die Menge der in den Verteilerkanal 22 strömenden Druckluft zu regeln. Durch eine (nicht gezeigte) mechanische oder pneumatische oder elektrische Verbindung, die sich von dem spitz zulaufenden Verschluss 29 bis zum Äußeren der Hülse der Gasturbine 10 erstreckt, kann der Verschluss 29 bewegt werden, um den Zwischenraum zwischen den Verjüngungen des Verschlusses 28 und des Lochs 26 zu verengen oder zu erweitern, wodurch die dem Brennstoff beigemischte Luftmenge geregelt wird. Die Mittel zum Bewegen des Verschlusses 29 gehören nicht zu der vorliegenden Erfindung und liegen im Kompetenzbereich des Fachmanns.
5 zeigt einen Brenner, der sich von dem in 4 in vier Hauptpunkten unterscheidet: die Druckluft strömt zu dem Brenner gegen den Strom der Verbrennungsgase; der zylindrische Brenner brennt nach innen statt nach außen; die Metallauskleidung befindet sich innerhalb des Brenners statt um ihn herum; der Luftanteil aus dem Verdichter, der in den Verteilerkanal des Brenners strömt, wird indirekt geregelt, indem der Anteil, der den Brenner umgehen darf, d.h. nicht in den Verteilerkanal des Brenners eindringt, geändert wird. Der Brenner 35 befindet sich innerhalb eines Metallgehäuses 36, das dazu dient, Druckluft zu dem Versorgungsende des Brenners 35 zu kanalisieren, an dem ein ringförmiger Verteilerkanal 37 zwischen der zylindrischen Metallwandung 38 und der zylindrischen Brennerfront 39 gebildet ist. An dem Versorgungsende des Verteilerkanals 37 sind die Wandung 38 und die Brennerfront 39 mit einer ringförmigen Scheibe 40 verbunden, die mehrere Öffnungen 41 aufweist, die kreisförmig voneinander beabstandet sind, um als Einlässe zu dem Verteilerkanal 37 zu dienen. Das gegenüberliegende Ende des zylindrischen Verteilerkanals 37 ist von einer ringförmigen Platte A verschlossen, die mit der Wandung 38 und der Brennerfront 39 verbunden ist. Die perforierte Hülse 42 innerhalb des Verteilerkanals 37 umgibt die poröse Brennerfront 39 und ist davon beabstandet, um einen einheitlichen Strom des Brennstoff/Luft-Gemischs auf die gesamte Brennerfront 39 hin zu fördern.
An dem Eingangsende des Brenners 35 ist ein kreisförmiger Block 43 mit der ringförmigen Scheibe 40 verbunden und weist ein mittleres, spitz zulaufendes Loch 44 auf, das mit der Öffnung der Scheibe 40 zusammenfällt. An der mittleren Öffnung der Scheibe 40 ist eine innere, zylindrische Metallauskleidung 45 angebracht. Druckluft, die auf den Eingang in den Brenner 35 zuströmt, kann in den Verteilerkanal 37 eindringen, indem sie durch den Zwischenraum zwischen der Scheibe 40 und der vertieften Seite 46 des Blocks 43 strömt. Die Druckluft kann gleichzeitig durch den Zwischenraum zwischen dem spitz zulaufenden Loch 44 und dem spitz zulaufenden Verschluss 47 strömen. Wie bezüglich des Brenners aus 4 besprochen, kann der Verschluss 47 bewegt werden, um den Druckluftstrom in die zylindrische Auskleidung 45 einzuschränken oder zu erhöhen. Im Gegensatz zu 4 wird die Luftmenge, die in den Verteilerkanal 37 des Brenners 35 strömt, indirekt geregelt, indem man einen veränderlichen Anteil der gesamten Luft aus dem Verdichter in die Auskleidung 45 strömen lässt, indem man einfach den spitz zulaufenden Verschluss 46 auf das spitz zulaufende Loch 44 zu oder davon weg bewegt.
Gasförmiger oder verdampfter Brennstoff wird von der Röhre 48 geliefert, die durch die Hülse der (nicht gezeigten) Gasturbine geht, in der das Metallgehäuse 36 eingebaut ist. Die Röhre 48 geht auch durch das Gehäuse 36 und ist mit einer ringförmigen Bohrung 49 in dem kreisförmigen Block 43 verbunden. Mehrere einheitlich beabstandete Löcher 50 von der vertieften Seite 46 des Blocks 43 zu der Bohrung 49 dienen zum Einsprühen des Brennstoffs in den Zwischenraum zwischen der Scheibe 40 und der vertieften Seite 46 des Blocks 43. Die durch diesen Zwischenraum strömende Druckluft vermischt sich vollständig mit dem gasförmigen Brennstoff, der durch die beabstandeten Löcher 50 eingesprüht wird, und das Gemisch strömt in den Brennerverteilerkanal 37. Das Gemisch, das die poröse Brennerfront 39 verlässt, wird in dem beschränkten ringförmigen Raum zwischen der Brennerfront 39 und der perforierten Auskleidung 45 einer stabilisierten Oberflächenverbrennung unterzogen. Die durch die Auskleidung 45 strömende Druckluft kühlt sowohl die Auskleidung 45 als auch die Verbrennungsproduktgase durch Vermischen mit diesen.
Die Gasturbine 55 aus 6 weist ein Gehäuse 56 auf, das den Luftverdichter 57, die Turbine 58 und die 57, 58 verbindende Welle 59 einfasst. Zwischen dem Verdichter 57 und der Turbine 58 befindet sich ein kanalartiger Abschnitt 60, der den Luftstrom aus dem Verdichter 57 in das an dem Gehäuse 56 angebrachte Außengehäuse 61 führt. Der zylindrische Brenner 62 ist in dem Gehäuse 61 aufgehängt.
Der Verteilerkanal 63 des Brenners 62 weist eine Brennerfront 64 mit zweierlei Poren auf, die mit dem Brennerhals 65 verbunden ist, der an dem spitz zulaufenden Loch 66 in der Platte 67 angebracht ist. Die perforierte Hülse 68 innerhalb des Verteilerkanals 63 ist von der Brennerfront 64 beabstandet und fördert ein einheitliches Strömen des Brennstoff/Luft-Gemischs auf die gesamte Front 64 zu. Die Scheibe 69 mit (nicht gezeigter) Schutzisolierung dichtet das Ende des Verteilerkanals 63 gegenüber dem Hals- oder Einlassende 65 ab. Die Metallauskleidung 70 ist von der Brennerfront 64 beabstandet und umgibt diese, wodurch sie dazwischen eine beschränkte Verbrennungszone bildet.
Oberhalb der Platte 67 ist der Block 71 mit dem Loch 72, das über dem Loch 66 in der Platte 67 zentriert ist, beabstandet. Der spitz zulaufende Verschluss 73 kann in dem Loch 72 auf und ab gleiten, um den Zwischenraum zwischen den Verjüngungen des Lochs 66 und des Verschlusses 73 zu verändern, und somit die Druckluftmenge verändern, die von dem Gehäuse 61 und zwischen der Platte 67 und dem Block 71 in den Verteilerkanal 63 strömt. Gasförmiger oder verdampfter Brennstoff wird an den Brenner 62 durch mehrere Röhren 74 geliefert, die durch das Gehäuse 61 gehen und mit Sprühdüsen 75 in dem Block 71 verbunden sind, die den Brennstoff auf die Platte 67 richten, um eine ordentliche Vermischung mit der an der Platte 67 entlang und in den Verteilerkanal 62 strömenden Druckluft zu bewirken.
Eine stabilisierte Oberflächenverbrennung erfolgt in dem beschränkten ringförmigen Raum zwischen Brennerfront 64 und Auskleidung 70. Die das Gehäuse 61 füllende Luft aus dem Verdichter 57, die nicht als Beimischung mit Brennstoff, der durch die Sprühdüsen 75 eingesprüht wird, in den Verteilerkanal 63 strömt, strömt durch Öffnungen in der Aus kleidung 70 und vermischt sich mit den Verbrennungsproduktgasen. Die vermischten Gase werden von dem kanalartigen Abschnitt 60 in die Turbine 58 geführt.
Der Brenner aus 7, wie der aus 5, befindet sich in einem Metallgehäuse 80, aber die Luft aus dem Verdichter dringt statt wie in 5 angegeben länglich radial durch ein seitliches Rohr 81 ein. Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Brennern weist der Brenner 82 eine flache Brennerfront 83 auf, die sich über einen pfannenartigen Verteilerkanal 84 erstreckt, der die perforierte Hülse 85 enthält. Diese Brennerform eignet sich gut für die Verwendung eines Metallfasergewirks als Brennerfront 83 mit einer perforierten Hülse 85, die sowohl als Stütze für das Gewirk als auch als Hilfe für einen einheitlichen Gasstrom über die ganze Front 83 dient.
Die Seitenwandung 86 des Verteilerkanals 84 verbindet die Brennerfront 83 mit der Platte 87, die das mittlere, spitz zulaufende Loch 88 aufweist, das als Einlass zu dem Verteilerkanal 84 dient. Von der Platte 87 beabstandet ist der Block 89 mit dem mittleren Loch 90. Der spitz zulaufende Verschluss 91 in dem Loch 90 ist auf das Loch 88 in der Platte 87 zu oder davon weg bewegbar, um den Druckluftstrom in den Verteilerkanal 84 zu ändern. Mehrere Röhren 92 gehen durch das Gehäuse 80 und sind mit den Sprühdüsen 93 in dem Block 89 verbunden. Gasförmiger Brennstoff, der von den Röhren 92 geliefert wird, trifft auf die Platte 87 und vermischt sich mit der Druckluft, die von dem Gehäuse 80 in den Raum zwischen der Platte 87 und dem Block 89 strömt. Das sich ergebende Gemisch dringt in den Verteilerkanal 84 ein und tritt durch die Brennerfront 83 mit zweierlei Poren aus, um einer oberflächenstabilisierten Verbrennung unterzogen zu werden.
An der Seitenwandung 86 des pfannenartigen Verteilerkanals 84 ist eine Metallauskleidung 94 mit mehreren Öffnungen angebracht, welche die Verbrennung auf eine an die Brennerfront 83 angrenzende röhrenförmige Zone beschränkt. Die Druckluft 80 in dem Gehäuse, die nicht in den Verteilerkanal 84 strömt, um die Verbrennung zu unterstützen, strömt um die Auskleidung 94 herum, um sie abzukühlen und um durch die Öffnungen in der Auskleidung 91 zu gehen, um die Verbrennungsgase durch Vermischen mit diesen abzukühlen.
8 ist eine vergrößerte Abbildung einer porösen Matte 100 aus gesinterten Metallfasern, die an beabstandeten Streifen 101 entlang perforiert wurden, wie in dem zuvor erwähnten Patent von Duret et al. gelehrt. Diese bevorzugte Brennerfrontform wird im Allgemeinen mit einer Metall- oder Keramikplatte 102 verwendet, die von der Stromaufseite der Brennerfront 100 beabstandet ist. Die Platte 102 wurde zuvor als perforierte Hülse bezeichnet, weil sie oft gebogen, z.B. wie in 1 und 2 gezeigt zylindrisch, ist. Die perforierte Hülse 102 mit vergleichsweise großen Löchern ist in dem Verteilerkanal des Brenners angeordnet, um dazu beizutragen, einen einheitlichen Strom auf die gesamte Brennerfront 100 hin zu erhalten.
9 bildet auf ähnliche Art und Weise die Brennerfront 103 in Form eines Gewirks aus Metallfasergarn ab. In diesem Fall dient die perforierte Hülse 102 dazu, die Front 103 zu unterstützen und den einheitlichen Gasstrom auf diese hin zu fördern.
10 zeigt eine einheitlich perforierte Brennerfront 104 und eine perforierte Hülse 105 mit Löchern, die in beabstandeten Streifen 106 angeordnet sind. Die Front 104 aus gesinterten Metallfasern kann eine Porosität aufweisen, die zu gering ist, um eine strahlende Oberflächenverbrennung bereitzustellen. Die Löcher in der Front 104 werden gewählt, um eine Blaufeuerverbrennung bereitzustellen. Die perforierte Hülse 105 ist ausgelegt, um den Gasstrom auf einige der Löcher in der Front 104 zu redu zieren. Insbesondere verringern die unperforierten Bereiche zwischen den perforierten Streifen 106 der Hülse 105 den Gasstrom zu den Löchern in der Front 104, die mit den unperforierten Bereichen übereinstimmen. Derartige Löcher, die einen verringerten Strom erhalten, unterstützen die Oberflächenverbrennung, während andere Löcher der Front 104, die mit den perforierten Streifen 106 übereinstimmen, eine Blaufeuerverbrennung hervorbringen. Statt der gesinterten Metallfaserfront 104 kann eine einheitlich perforierte Keramikfaserfront verwendet werden, um eine Oberflächenverbrennung mit Blaufeuerverbrennung in beabstandeten Streifen hervorzubringen.
11 zeigt die Brennerfront 107 abwechselnd mit Streifen 108 mit kleinen Löchern und Streifen 109 mit größeren Löchern. Die Löcher der Streifen 108 sind bemessen, um eine strahlende Oberflächenverbrennung hervorzubringen, wenn bei Atmosphärendruck gezündet wird, während die größeren Löcher der Streifen 109 eine Blaufeuerverbrennung ergeben. Als ungefähre Richtlinie ist der offene Bereich jedes größeren Lochs normalerweise etwa 20mal so groß wie derjenige jedes kleinen Lochs. Die Brennerfront 107 besteht aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit, das aus Metall- oder Keramikfasern gebildet ist. Eine bevorzugte Ausführungsform der Brennerfront 107 ist das Keramikfaserprodukt des zuvor erwähnten Patents von Carswell, das mit Löchern in zwei Größen versehen ist, die dazu geeignet sind, die beiden erwünschten Verbrennungsarten zu erbringen. Wie in 11 angegeben, kann die Brennerfront 107 in vielen Fällen ohne perforierte Hülse verwendet werden.
Eine Brennerfront von der in 8 abgebildeten Art wird bevorzugt, um eine Verbrennung zu erzielen, die Produktgase hervorbringt, die nur 2 ppm NO_x oder weniger aber kombiniert nicht mehr als 10 ppm CO und UHC enthalten. Alle Brennerfronten, die beschrieben wurden, sind, wenn sie bei einem Druck von mindestens 3 Atmosphären und einer Rate von mindestens ungefähr 1,557 kW/m²/bar (500 000 BTU/hr/sf/atm) gezündet werden, wobei der Luftüberschuss in dem der Brennerfront zugeführten Brennstoff/Luft-Gemisch geregelt wird, in der Lage, Verbrennungsproduktgase abzugeben, die nicht mehr als 5 ppm NO_x und kombiniert nicht mehr als 10 ppm CO und UHC enthalten. Je nach Temperatur der Druckluft, die dem gasförmigen Brennstoff beigemischt wird, wird der Luftüberschuss zwischen 40 % und 150 % geändert; der Anteil an Luftüberschuss wird im Verhältnis zu höheren Temperaturen der Druckluft erhöht, um eine adiabatische Flammentemperatur im Bereich von 1427 °C bis 1815 °C (2600 °F bis 3300 °F) beizubehalten. Bevorzugt wird der Luftüberschuss geregelt, um die adiabatische Flammentemperatur in dem Bereich von 1510 °C bis 1593 °C (2750 °F bis 2900 °F) zu halten, um den Gehalt an Luftschadstoffen in den Verbrennungsgasen auf bis zu 2 ppm NO_x oder weniger mit kombiniert nicht mehr als 10 ppm CO und UHC zu senken.
Versuche, die ausgeführt wurden mit einem Brenner wie dem aus 4 mit einer wie in 8 gezeigten Front, und der bei 10 Atmosphären mit Erdgas bei einer Rate von 31,540 kW/m² (10 000 000 BTU/hr/sf) gezündet wurde, hielten den NO_x-Gehalt in den Verbrennungsproduktgasen unter 2 ppm, obwohl die Temperatur des Brennstoff/Luft-Gemischs so lange erhöht wurde wie auch der Luftüberschuss erhöht wurde. Insbesondere erzeugten die folgenden Versuche weniger als 2 ppm NO_x.
Die adiabatischen Flammentemperaturen aller Versuche wurden in dem Bereich von 1510 °C bis 1593 °C (2750 °F bis 2900 °F) gehalten, indem der Luftüberschuss in den oben angegebenen Bereichen regelt wurde. Anscheinend wurden eine so hohe Feuerrate und Unterdrückung von NO_x bis auf weniger als 2 ppm noch nie auch nur annähernd erreicht. Ähnlich hervorragende Ergebnisse kann man erreichen, wenn man die Feuerrate auf 15,770 kW/m² (5 000 000 BTU/hr/sf) reduziert oder die Rate auf 47,310 kW/m² (15 000 000 BTU/hr/sf) erhöht; d.h. der Unternehmer hat die Wahl, die Feuerrate bis zu einem Maximum von mindestens dreimal dem Minimum bei jedem beliebigen Druck zu ändern. Diese Betriebsanpassungsfähigkeit ist als solche beachtenswert.
Obwohl Erdgas ein Brennstoff ist, der gewöhnlich für Gasturbinen verwendet wird, kann der Brenner der vorliegenden Erfindung mit höheren Kohlenwasserstoffen, wie etwa Propan, gezündet werden. Flüssige Brennstoffe, wie etwa Alkohole und Benzin, können mit dem erfindungsgemäßen Brenner verwendet werden, wenn der flüssige Brennstoff völlig verdampft wird, ehe er durch die poröse Brennerfront geht. Der Begriff gasförmiger Brennstoff wurde verwendet, um Brennstoffe einzuschließen, die normalerweise Gase sind, und solche, die flüssig sind, aber vor dem Durchgang durch die Brennerfront völlig verdampft werden. Ein anderes Merkmal der Erfindung ist, dass der Brenner selbst bei Gasen mit niedrigen BTU-Werten wirksam ist, wie etwa bei Landauffüllungsgas, das oft aus nicht mehr als ungefähr 40 Methan besteht.
Der Begriff Luftüberschuss wurde hier in herkömmlicher Weise verwendet, um die Luftmenge zu bezeichnen, die über den stöchiometrischen Bedarf des Brennstoffes hinausgeht, mit dem sie vermischt wird.
Der Fachmann kann sich angesichts der vorhergehenden Lehren leicht Variationen und Änderungen der Erfindung vorstellen, ohne Geist oder Umfang der Erfindung zu verlassen. Neben den flachen und zylindrischen Formen der in den Zeichnungen gezeigten Brennerfronten können z.B. kegelförmige und kuppelförmige Formen verwendet werden. Zahlreiche Patente über Mittel zum Regeln des Druckluftstroms in die Brenner von Gasturbinen weisen sicherlich auf Ersatzmöglichkeiten für den beweglichen Verschluss hin, der in den Zeichnungen schematisch gezeigt ist, um die in den Brenner eindringende Druckluft zu regeln. Entsprechend sind der Erfindung nur diejenigen Einschränkungen aufzuerlegen, die in den beiliegenden Ansprüchen dargelegt sind.

Claims

Brenner (16) für Gasturbinen (10), der bei hohem Druck mit hohem Luftüberschuss funktionsfähig ist, um Verbrennungsgase mit geringem Luftschadstoffgehalt zu erzeugen, umfassend einen Verteilerkanal (22) mit einem Einlass (19) zum Einsprühen eines gasförmigen Brennstoffes und beigemischter Druckluft, eine Brennerfront (18) aus poröser Faser und eine Metallauskleidung (17), die angeordnet ist, um angrenzend an die Brennerfront (18) eine kompakte Verbrennungszone bereitzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennerfront (18, 100) Bereiche, die, wenn sie bei Atmosphärendruck gezündet werden, eine strahlende Oberflächenverbrennung hervorbringen, und porösere, verteilte Bereiche (101), die eine Blaufeuerverbrennung bereitstellen, aufweist, wobei der Brenner (16) ferner in dem der Verteilerkanal von der Brennerfront beabstandet eine perforierte Hülse (23) umfasst, wobei die Auskleidung (17) mehrere Öffnungen aufweist, um Kühldruckluft durch diese hindurch zu lassen und mit den Gasen der Verbrennungszone zusammenlaufen zu lassen.
Brenner nach Anspruch 1, wobei die Brennerfront (18) zylindrisch ist und einen zylindrischen Verteilerkanal (22) umgibt, die Metallauskleidung (17) ebenfalls zylindrisch ist, und die Öffnungen in der Auskleidung Luftklappen aufweisen, um eine Schleierkühlung der Auskleidung zu fördern.
Brenner nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Brennerfront eine poröse Metallfasermatte (100) mit verteilten, perforierten Bereichen (101) ist.
Brenner nach Anspruch 1 oder 3, wobei der Verteilerkanal (37) eine ringförmige zylindrische Form aufweist, die Brennerfront (39) eine innere zylindrische Seite des Verteilerkanals ist, die Metallauskleidung (45) röhrenförmig ist und sich axial der Länge der Brennerfront entlang erstreckt, und die Öffnungen in der Auskleidung Luftklappen aufweisen, um eine Schleierkühlung der Auskleidung zu fördern.
Brenner nach Anspruch 3, wobei die poröse Metallfasermatte (100), wenn sie bei Atmosphärendruck gezündet wird, mit einer Rate von 110 bis 630 kW/m² (35 000 bis 200 000 BTU/hr/sf) gezündet werden kann, und die perforierten Bereiche (101) mit einer Rate in dem Bereich von 1,577 bis 25,234 kW/m² (500 000 bis 8 000 000 BTU/hr/sf) gezündet werden können.
Brenner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brennerfront (100, 104, 107) aus poröser Faser perforiert ist, um einen Druckabfall durch diese hindurch von weniger als 3 % sicherzustellen und eine Vielzahl an blauen Flammen zu erzeugen, wenn sie bei Atmosphärendruck gezündet wird.
Verbrennungsverfahren für Gasturbinen, um die Bildung von Luftschadstoffen zu unterdrücken, umfassend das Durchführen eines gasförmigen Brennstoffes und beigemischter Druckluft durch eine Brennerfront (18, 100) aus poröser Faser, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserbrennerfront (100) Bereiche aufweist, die, wenn sie bei Atmosphärendruck gezündet werden, eine Oberflächenverbrennung hervorbringen, und porösere verteilte Bereiche (101), die eine Blaufeuerverbrennung hervorbringen, wobei das Verfahren ferner das Zünden des Brennstoffes und der beigemischten Luft in einer kompakten Verbrennungszone (17), die an die Brennerfront (18) angrenzt und durch eine Metallauskleidung (17) mit mehreren Öffnungen beschränkt ist, wobei das Zünden bei einem Druck in dem Bereich von ungefähr 3 bis 20 bar (3 bis 20 Atmosphären) und mit einer Rate von mindestens ungefähr 1,557 kW/m²/bar (500 000 BTU/hr/sf/atm) ausgeführt wird, das Durchführen von Kühldruckluft an der Auskleidung entlang, wobei ein Teil der Druckluft durch die Öffnungen strömt, um mit den Gasen der Verbrennungszone zusammenzulaufen, und das Regeln der beigemischten Luft, um einen Überschuss in dem Bereich von ungefähr 40 bis 150 % bereitzustellen, um eine adiabatische Flammentemperatur in dem Bereich von 1,427 °C bis 1,815 °C (2600 °F bis 3300 °F) beizubehalten, umfasst, wodurch Verbrennungsgase erzeugt werden, die nicht mehr als 5 ppm NO_x und kombiniert nicht mehr als 10 ppm CO und UHC enthalten.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Brennerfront (100) aus poröser Faser eine poröse Metallfasermatte mit verteilten, perforierten Bereichen (101) ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die poröse Metallfasermatte (100), wenn sie bei Atmosphärendruck gezündet wird, mit einer Rate von 110 bis 630 kW/m² (35 000 bis 200 000 BTU/hr/sf) gezündet werden kann, und die perforierten Bereiche (101) mit einer Rate in dem Bereich von 1,577 bis 25,234 kW/m² (500 000 bis 8 000 000 BTU/hr/sf) gezündet werden können.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7, 8 oder 9, wobei das Zünden bei einem Druck in dem Bereich von ungefähr 5 bis 10 bar (5 bis 10 Atmosphären) ausgeführt wird, und der Luftüberschuss geregelt wird, um eine adiabatische Flammentemperatur in dem Bereich von 1510 °C bis 1593 °C (2750 °F bis 2900 °F) beizubehalten, wodurch Verbrennungsgase erzeugt werden, die nicht mehr als 2 ppm NO_x enthalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7, 8, 9 oder 10, wobei die Brennerfront (18) aus poröser Faser und die Metallauskleidung (17) zylindrisch sind und eine ringförmig kompakte Verbrennungszone bilden.