EP0584661B1

EP0584661B1 - Verfahren zum Erzeugen eines brennbaren Gasstromes in einem Wärmeerzeuger und Wärmeerzeuger zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: EP0584661B1
Application number: EP19930112919
Authority: EP
Inventors: Rolf Dr. Althaus
Original assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; ABB AB
Priority date: 1992-08-28
Filing date: 1993-08-12
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2013-08-12
Also published as: JPH06185730A; EP0584661A1; DE59306570D1; JP3452610B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft auch einen Wärmeerzeuger zur Durchführung des Verfahrens.
Bei bekannten Wärmeerzeugern dieser Art wird der Brennstoff im Zentrum des Gasstromes zugeführt, dabei ragt eine Brennstoffdüse in die Mitte dieses Gasstromes hinein. Durch diese Art der Brennstoff-Zuführung ist der Wirkungsgrad bei der Verbrennung unbefriedigend und es entstehen hohe NOx-Emissionen.
Aus EP-A-0 244 972 ist ein Verfahren zum Erzeugen eines brennbaren Gasstromes in einem Wärmeerzeuger, das durch Beifügen von Brennstoff zu dem durch den Wärmeerzeuger fliessenden Gasstrom bewerkstelligt wird. Der Gasstrom wird dabei mit einem zu diesem schräg gerichteten Brennstoff durchsetzt, wobei dem Brennstoff vorgängig eine Zusatzmasse beigefügt wird. Eine solche Konfiguration ist nicht geeignet, den Zündzeitpunkt zu steuern, womit im Verlauf des Betriebes ständig mit einer Rückzündung der Flamme gerechnet werden muss.
Die Aufgabe, die mit der vorliegende Erfindung gelöst wird, besteht in der Schaffung eines Verfahrens und eines Wärmeerzeugers zur Durchführung des Verfahrens, bei welchen die Verteilung des Brennstoffes und die Steuerung des Zeitpunktes der Zündung des brennbaren Gasstromes verbessert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss daurch gelöst, dass

a) das Verfahren ausser den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1 auch die Merkmale im Kennzeichen desselben enthält.
b) der Wärmeerzeuger ausser den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruches 2 auch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruches 2 enthält.

Durch das Einbringen des Brennstoff-Stromes und durch die Querstellung der Einspritzdüse, wird eine wesentlich bessere Verteilung des Brennstoffes im Gasstrom erreicht.
Durch das Beifügen eines Zusatzstromes zum Brennstoff-Strom und durch die Stützdüse mit der dieser Zusatzstrom beigefügt wird, ist der Zeitpunkt der Zündung des brennbaren Gasstromes besser steuerbar.
Diese Massnahmen haben den Vorteil, dass sich eine Zwischenüberhitzung des Gasstromes im Wärmeerzeuger besser auf die gewünschten Werte steuern lässt, ausserdem wird durch eine effizientere Vermischung des Brennstoffes mit dem Gasstrom der Wirkungsgrad des Wärmeerzeugers verbessert und die NO_x Emission des Wärmeerzeugers minimiert.
Ein Ausführungsbeispiel des Wärmeerzeugers ist im folgenden anhand der beigefügten Zeichnung ausführlich beschrieben.
Es zeigt:

Fig. 1: einen Längsschnitt durch den Wärmeerzeuger mit einer Hochdruck- und einer Niederdruck-Turbine;
Fig. 2: einen Querschnitt durch den in Fig. 1 dargestellten Wärmeerzeuger gemäss Linie II-II
Fig. 3: eine Einzelheit aus Fig. 1 in vergrössertem Massstab.

Gemäss Fig. 1 und 2 befindet sich zwischen einer Hochdruck-Turbine 10 und einer Niederdruck-Turbine 11 ein Wärmeerzeuger 12. Dieser Wärmeerzeuger 12 weist eine als Ringraum ausgebildete Brennkammer 13 auf, die durch eine im wesentlichen zylinderförmige, oder präziser kegelstumpfförmige Aussenwand 14 und eine entsprechende Innenwand 15 begrenzt ist. In der Aussenwand 15 sind gleichmässig am Umfang verteilt eine Anzahl Brennstoff-Einspritzdüsen 16 befestigt. Diese Brennstoffdüsen 16 sind im wesentlichen radial nach innen (Fig. 2) und quer zu Abgasstrom angeordnet (Fig. 1). Diese Brennstoffdüsen 16 sind in zwei Querschnittsebenen 17 und 18 angeordnet, die in einem Abstand L voneinander entfernt sind. Die Ausbildung dieser Brennstoff-Einspritzdüsen 16 ist aus Fig. 3 ersichtlich.
Gemäss Fig. 3 ist jede Brennstoff-Einspritzdüse 16 von einer Gasdüse 19 und von einer Luftdüse 20 umgeben. Die Mündung 22 dieser Brennstoff-Einspritzdüse 16 befindet sich im Bereich der Wand der Brennkammer 13. Da die Brennkammer 13 als Ringraum ausgebildet ist, wird die zu kühlende Oberfläche des Wärmeerzeugers 12 relativ klein, ausserdem ergibt sich eine symmetrische Ausbildung des Wärmeerzeugers 12. Der Brennstoff kann als ein transversaler Strahl dem aus der Hochdruckturbine austretenden Gasstrom zugeführt werden. Der Impuls des Brennstoffmassenstromes muss genügend gross sein, um eine relativ schnelle und effiziente Vermischung zu erzeugen. Das Brennstoff-Gas-Gemisch entzündet sich nach ca. einer Millisekunde von selbst. Eine Flammstabilisierung ist bei dieser Art der Verbrennung nicht nötig. Durch einen Schirmluftstrom aus der Luftdüse 20, der koaxial zum Brennstoff eingeblasen wird, kann der Zündzeitpunkt gesteuert werden, wodurch eine Rückzündung verhindert wird. Zur Stabilisierung des Schwingungsverhaltens kann der Brennstoff über eine Länge L gestuft beigemischt werden, d.h. es sind in einer ersten Querschnittsebene 17 gleichmässig am Umfang verteilt eine Anzahl Brennstoffeinspritzdüsen 16 angeordnet und in einer zweiten Querschnittsebene 18 sind ebenfalls gleichmässig am Umfang verteilt eine weitere Anzahl Brennstoff-Einspritzdüsen 16 angeordnet, die vorzugsweise in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind.
Wenn der Abstand h zwischen der äusseren Brennkammerwannd 14 und der inneren Brennkammerwand 15 relativ gross ist, wird vorzugsweise eine Anzahl Einspritzdüsen 21 an der inneren Brennkammerwand 15 angeordnet, die im Gegensatz zu den oben erwähnten, radial nach innen gerichteten Einspritzdüsen 16, radial nach aussen gerichtet ist.
Die aus der Hochdruckturbine 10 austretenden Gase strömen durch den Wärmeerzeuger 12 und gelangen dann in die Niederdruckturbine 11, wie durch Pfeile A angedeutet ist.
Die durch den Wärmeerzeuger 12 strömenden Gase wurden mit Hilfe der Brennstoff-Einspritzdüsen 16 bzw. 21 mit Brennstoff angereichert. Da sich der mit Brennstoff angereicherte Gasstrom sofort entzündet, wird seine Temperatur erhöht und erreicht die Niederdruckturbine 11 mit der gewünschten Temperatur und dem gewünschten Druck.
Der Schirmluftstrom aus der Düse 20 hat eine Inhibitorwirkung da die Luft kühler ist, sodass der Zündzeitpunkt des brennbaren Gasstromes verzögert werden kann.
Mit den beschriebenen Düsen 16, 19 und 20 kann wahlweise

a) ein flüssiger Brennstoff-Strom und ein umhüllender Luftstrom
b) ein Gasstrom und ein umhüllender Luftstrom und
c) ein flüssiger Brennstoff-Strom, ein Gasstrom und ein umhüllender Luftstrom

Bezugsziffernliste:

10: Hochdruck-Turbine
11: Niederdruck-Turbine
12: Wärmeerzeuger
13: Brennkammer
14: Aussenwand
15: Innenwand
16: Brennstoff-Einspritzdüsen
17: Querschnittsebene
18: Querschnittsebene
19: Gasdüse
20: Luftdüse
21: Brennstoff-Einspritzdüse
22: Mündung

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines brennbaren Gasstromes in einem Wärmeerzeuger durch Beifügen von Brennstoff zu dem durch den Wärmeerzeuger fliessenden Gasstrom, wobei der Gasstrom mit einem zu diesem quer gerichteten Brennstoffstrom mindestens teilweise durchsetzt wird, und wobei dem Brennstoffstrom zuvor eine Zusatzmasse beigefügt wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Schirmluftstrom aus mindestens einer Luftdüse (19, 20), der koaxial zum Brennstoffstrom aus einer Brennstoffdüse (16, 21) eingeblasen wird, der Zündzeitpunkt gesteuert wird.
Wärmeerzeuger zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer Brennkammer zur Führung eines aus einer stromauf wirkenden Strömungsmaschine stammenden Abgases, aus mindestens einer Brennstoffdüse, die quer zur Wand der Brennkammer gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüse (16, 21) von mindestens einer Luftdüse (19, 20) umgeben ist.
Wärmeerzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (13) ringförmig ausgebildet ist und eine Anzahl gleichmässig am Umfang verteilter Brennstoffdüsen (16, 21) aufweist.
Wärmeerzeuger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Brennkammer (13) eine Aussenwand (14) und eine Innenwand (15) aufweist, und dass die Brennstoffdüsen (16) an der Aussenwand (14) radial nach innen gerichtet ist.
Wärmeerzeuger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den radial nach innen gerichteten Brennstoffdüsen (16) weitere an der Innenwand radial nach aussen gerichtete Brennstoffdüsen (21) angeordnet sind.
Wärmeerzeuger nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüsen (16, 21) in axialer Richtung der Brennkammer (13) gestuft angeordnet sind, und dass die Brennstoffdüsen (16, 21) in den einzelnen Ebenen aus der gestuften Anordnung versetzt zueinander stehen.
Wärmeerzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass um die Brennstoffdüse (16, 21) ringförmig eine gasführende Düse (19) angeordnet ist, und dass um die gasführende Düse ringförmig eine luftführende Düse (20) angeordnet ist.