Brennstoffdüse

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Brennstoffdüse umfassend ein Düsenrohr (3) und eine Düsenaustrittsöffnung (13), wobei das Düsenrohr (3) mit einer ersten Brennstoffzufuhrleitung in Verbindung steht zum Zuführen eines ersten Brennstoffes in das Düsenrohr (3), wobei radial beabstandet um das Düsenrohr (3) ein Außenmantel (16) angeordnet ist, welcher mit dem Düsenrohr (3) einen Ringspalt (17) mit einer Ringspaltaustrittsöffnung (18) ausbildet, wobei der Ringspalt (17) mit einer zweiten Brennstoffzufuhrleitung in Verbindung steht, zum Zuführen eines zweiten Brennstoffs in den Ringspalt (17), wobei der erste Brennstoff und der zweite Brennstoff über die Düsenaustrittsöffnung (13) und die Ringspaltaustrittsöffnung (18) in eine Brennkammer einströmbar sind, wobei zentral in dem Düsenrohr (3) eine Wechsellanze mit einer Wechsellanzenaustrittsöffnung angeordnet ist, wobei die Wechsellanze mit einer Zufuhrleitung lösbar in Verbindung steht zum Zuführen eines Fluids in die Wechsellanze, und wobei das Fluid über die Wechsellanzenaustrittsöffnung in die Brennkammer einbringbar ist, und wobei die Wechsellanze mit Wechsellanzenaustrittsöffnung sowohl mit dem Düsenrohr (3) als auch mit der Zufuhrleitung zum Austausch der Wechsellanze mit Wechsellanzenaustrittsöffnung lösbar verbunden ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Brennstoffdüse, umfassend ein Düsenrohr und eine Düsenaustrittsöffnung, wobei das Düsenrohr mit einer ersten Brennstoffzufuhrleitung in Verbindung steht, zum Zuführen eines ersten Brennstoffes in das Düsenrohr. Radial beabstandet um das Düsenrohr ist ein Außenmantel angeordnet, welcher mit dem Düsenrohr einen Ringspalt mit einer Ringspaltaustrittsöffnung ausbildet. Der Ringspalt steht mit einer zweiten Brennstoffzufuhrleitung in Verbindung, zum Zuführen eines zweiten Brennstoffs in den Ringspalt, wobei der erste Brennstoff und der zweite Brennstoff über die Düsenaustrittsöffnung und die Ringspaltaustrittsöffnung in eine Brennkammer einströmbar sind.

[0002] Im Hinblick auf die weltweiten Bemühungen zur Senkung des Schadstoffausstoßes von Feuerungsanlagen, insbesondere bei Gasturbinen, wurden in den letzten Jahren Brenner und Betriebsverfahren für Brenner entwickelt, welche besonders geringe Ausstöße an Stickoxiden (NOx) haben. Dabei wird vielfach Wert darauf gelegt, dass solche Brenner jeweils nicht nur mit einem Brennstoff, sondern möglichst mit verschiedenen Brennstoffen, beispielsweise Öl, Erdgas und/oder niederkalorische Brennstoffe, welche nachfolgend auch als Synthesegas bezeichnet werden, wahlweise einzeln oder in Kombination betreibbar sind, um die Versorgungssicherheit und Flexibilität beim Betrieb zu erhöhen.

[0003] Synthesegas-Brenner zeichnen sich dadurch aus, dass in ihnen Synthesegas als Brennstoff verwendet wird. Verglichen mit den klassischen Gasturbinenbrennstoffen Erdgas und Erdöl, die im Wesentlichen aus Kohlenwasserstoffverbindungen bestehen, sind die brennbaren Bestandteile von Synthesegas im Wesentlichen Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Zum wahlweisen Betrieb einer Gasturbine mit Synthesegas aus einer Vergasungseinrichtung und einem Zweit- oder Ersatzbrennstoff muss der Brenner in der der Gasturbine zugeordneten Brennkammer dann als Zwei-oder Mehrbrennstoffbrenner ausgelegt sein, der sowohl mit dem Synthesegas als auch mit dem Zweitbrennstoff, z.B. Erdgas je nach Bedarf beaufschlagt werden kann. Die Ausbildung eines Brenners als Mehrbrennstoffbrenner ist zudem für die Verfügbarkeit der Gasturbinenleistung bei Schwankungen des Heizwertes im Synthesegas, notwendig. Der jeweilige Brennstoff wird hierbei über eine Brennstoffpassage im Brenner der Verbrennungszone zugeführt.

[0004] Bisherige Brenner weisen eine Brennstoffdüse auf, welche ein Düsenrohr, das mit einer ersten Brennstoffzufuhrleitung für Gas, hier nachfolgend als Erdgas bezeichnet, in Verbindung steht, und eine Düsenaustrittsöffnung aufweist. Radial beabstandet um das Düsenrohr ist ein Außenmantel angeordnet, welcher mit dem Düsenrohr einen Ringspalt ausbildet. Der Ringspalt steht mit einer zweiten Brennstoffzufuhrleitung zum Zuführen von Synthesegas zu dem Ringspalt in Verbindung. Somit kann der Brenner mit Erdgas oder Synthesegas oder beidem betrieben werden. Ein Betrieb mit Flüssigbrennstoffen ist jedoch nicht durchführbar. Ein Synthesegas/Ölbetrieb ist daher nicht möglich. Es wäre daher wünschenswert, einen Brenner zu erhalten, der mit Synthesegas, Ergas und Öl betrieben werden kann.

[0005] Es ist daher die Aufgabe der Erfindung eine Brennstoffdüse anzugeben, die den Betrieb eines solchen Brenners ermöglicht.

[0006] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Brennstoffdüse gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

[0007] Erfindungsgemäß ist zentral in dem Düsenrohr eine Wechsellanze mit einer Wechsellanzenaustrittsöffnung angeordnet, wobei die Wechsellanze mit einer Zufuhrleitung lösbar in Verbindung steht, zum Zuführen eines Fluids in die Wechsellanze, wobei das Fluid über die Wechsellanzenaustrittsöffnung in die Brennkammer einbringbar ist. Die Wechsellanze mit Wechsellanzenaustrittsöffnung ist mit dem Düsenrohr als auch mit der Zufuhrleitung lösbar verbunden, so dass ein Austausch der Wechsellanze möglich ist. Dies ist bei einem Wechsel von Betrieb mit Flüssigbrennstoff, beispielsweise Öl zu einem Betrieb ohne Flüssigbrennstoff notwendig, da im Betrieb ohne Flüssigbrennstoff ein anderes Medium, z.B. Verdichterluft durch die Wechsellanze geführt werden muss, um diese zu kühlen. Beispielsweise ist eine solche Kühlung insbesondere an der Wechsellanzenaustrittsöffnung notwendig. Um hier eine effiziente Kühlung zu erhalten, muss jedoch eine Wechsellanzenaustrittsöffnung, durch die Verdichterluft hindurchgeführt wird, anders gestaltet sein, als eine Wechsellanzenaustrittsöffnung für Flüssigbrennstoff. Durch einen Austausch der Wechsellanze können nun beispielsweise verschiedene Wechsellanzenaustrittsöffnungen zum Einsatz kommen, so dass nun ein Betrieb mit und ohne Öl problemlos möglich ist. Durch die Erfindung wird daher der Betrieb eines Brenners mit verschiedenen Brennstoffen, wie Erdgas, Synthesegas und Öl einfach ermöglicht, ohne dass der gesamte Brenner ausgetauscht werden muss. Der Erdgasbetrieb kann daher beispielsweise durch einen anderen Brennstoffbetrieb, vorzugsweise Ölbetrieb ersetzt werden, ohne dass nun der gesamte Brenner ausgetauscht werden muss.

[0008] Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren 1 bis 4.

Fig. 1

zeigt eine solche erfindungsgemäße Brennstoffdüse bei Ölbetrieb.

Fig. 2

zeigt eine solche erfindungsgemäße Brennstoffdüse ohne Ölbetrieb mit Bypassleitung.

Fig. 3

zeigt die Attrappenlanzenaustrittsöffnung einer solchen erfindungsgemäßen Brennstoffdüse ohne Ölbetrieb mit Bypassleitung.

Fig. 4

zeigt eine Düsenscheibe einer solchen erfindungsgemäßen Brennstoffdüse.

[0009] Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Brennstoffdüse, welche ein Düsenrohr 3 und eine Düsenaustrittsöffnung 13 aufweist. Das Düsenrohr 3 steht mit einer ersten Brennstoffzufuhrleitung in Verbindung zum Zuführen von einem hochkalorischen Brennstoff, hier Erdgas, in das Düsenrohr 3. Radial beabstandet um das Düsenrohr 3 ist ein Außenmantel 16 angeordnet, welcher mit dem Düsenrohr 3 einen Ringspalt 17 mit einer Ringspaltaustrittsöffnung 18 ausbildet. Der Ringspalt 17 steht dabei mit einer zweiten Brennstoffzufuhrleitung in Verbindung, zum Zuführen eines niederkalorischen Brennstoffs, nachfolgend als Synthesegas bezeichnet, in den Ringspalt 17. Das Erdgas und das Synthesegas werden über die Düsenaustrittsöffnung 13 und die Ringspaltaustrittsöffnung 18 in eine nicht gezeigte Brennkammer eingeströmt. Zentral in dem Düsenrohr 3 ist eine Wechsellanze mit einer Wechsellanzenaustrittsöffnung angeordnet. Die Wechsellanze ist sozusagen in das Düsenrohr 3 integriert. Dabei steht die Wechsellanze mit einer Zufuhrleitung in Verbindung, zum Zuführen eines Fluids, in die Wechsellanze. Das so zugeführte Fluid wird über die Wechsellanzenaustrittsöffnung in die Brennkammer eingebracht. Die Wechsellanze ist lösbar in dem Düsenrohr 3 angebracht. Auch ist sie lösbar mit der Zufuhrleitung verbunden. Somit kann sie problemlos entfernt oder ausgetauscht werden. Da die Wechsellanze stromaufwärts an der Zufuhrleitung befestigt ist, erfolgt die Eindüsung 55 des Erdgases in das Düsenrohr 3 als auch die Eindüsung 60 des Synthesegases in den Ringspalt 17 radial, das heißt von der Seite.

[0010] Im Betrieb mit Öl wird durch die Zufuhrleitung Öl in die Wechsellanze, nachfolgend als Öllanze 2 mit Öllanzenaustrittsöffnung 12 bezeichnet, eingebracht. Um die unterschiedlichen thermischen Expansionen zwischen dem Düsenrohr 3 mit der Düsenaustrittsöffnung 13, dem Ringspalt 17 mit der Ringspaltaustrittsöffnung 18 und der Öllanze 2 mit der Öllanzenaustrittsöffnung 12 zu kompensieren ist an der Öllanzenaustrittsöffnung 12 eine Ausdehnungsnut 20 angebracht. Die Ausdehnungsnut 20 ist zwischen der Düsenaustrittsöffnung 13 und Öllanzenaustrittsöffnung 12 angeordnet. Innerhalb der Ausdehnungsnut 20 ist ein Dichtungsring 21, beispielsweise ein C-Ring so angebracht, dass eine Leckage von Gas in die Brennkammer (nicht gezeigt) weitestgehend vermieden wird.

[0011] Zusätzlich oder alternativ kann die Öllanze 2 auch mit einem Kompensator (nicht gezeigt) ausgeführt sein. Dabei wird als Kompensator ein flexibles Element zum Ausgleich von Bewegungen in Rohrleitungen, welche insbesondere durch thermische Längenänderungen entstehen, bezeichnet. Der hier verwendete Kompensator kann insbesondere ein Wellenrohrkompensator sein.

[0012] Fig. 2 zeigt eine solche Brennstoffdüse ohne Ölbetrieb. Hierbei wird die Öllanze 2 mit der Öllanzenaustrittsöffnung 12 durch eine Attrappenlanze 30 mit Attrappenlanzeaustrittsöffnung 31 ausgetauscht. Die Attrappenlanze 30 mit der Attrappenlanzeaustrittsöffnung 31 wird analog zur Öllanze 2 lösbar befestigt, so dass bei einem gewünschten Ölbetrieb diese einfach wieder gegen die Öllanze 2 auszutauschen ist. Der Austausch wird durch die lösbare Befestigung der Öllanze 2 mit dem Düsenrohr 3 und der lösbaren Verbindung zu dem Zufuhrsystem (nicht gezeigt) der Öllanze 2 ermöglicht. Bei nicht gewünschten Ölbetrieb ist weiterhin das Zufuhrsystem gegen eine Bypassleitung 33 austauschbar. Die Bypassleitung 33 ist stromaufwärts mit einem Plenum 50 verbunden, welches Verdichterluft führt. Da das Plenum 50 und die Brennkammer (nicht gezeigt) unterschiedliche Drücke aufweisen, strömt durch die Druckdifferenz die Verdichterluft in die Bypassleitung 33 und von dort in die Attrappenlanze 30. Von dort tritt sie durch die Attrappenlanzeaustrittsöffnung 31 in die Brennkammer (nicht gezeigt) ein.

[0013] Fig. 3 zeigt eine Attrappenlanzeaustrittsöffnung 31 im Detail. Die Attrappenlanzeaustrittsöffnung 31 umfasst stromabwärts eine Frontscheibe 35 mit Löchern 36. Dabei weist die Frontscheibe 35 einen Mittelpunkt auf. Die Löcher 36 sind ringförmig um den Mittelpunkt angeordnet. Die Durchmesser der Löcher 36 sind im Vergleich zum Durchmesser der Frontscheibe 35 sehr klein. Die Verdichterluft trifft auf die Frontscheibe 35 auf und kühlt diese dadurch. Anschließend strömt sie zu den Löchern 36 und tritt durch diese in die Brennkammer (nicht gezeigt) ein. Durch die Verdichterluft wird somit die Attrappenlanzeaustrittsöffnung 31 gekühlt. Die durch die Attrappenlanze 30 strömende Verdichterluft wird nachfolgend als Spülluft bezeichnet. Eine Erhöhung der Kühlung der Attrappenlanzeaustrittsöffnung 31 kann dadurch erfolgen, dass in der Attrappenlanzeaustrittsöffnung 31 senkrecht zur Strömungsrichtung und über den gesamten Querschnitt der Attrappenlanzeaustrittsöffnung 31 eine Platte 40 mit einer zentralen Öffnung 41 angeordnet ist. Durch die Anordnung dieser Platte 40 mit zentralem Loch im Bereich der Attrappenlanzeaustrittsöffnung 31 erfolgt die Durchströmung der gesamten Spülluft zur Attrappenlanzeaustrittsöffnung 31 durch die Öffnung 41 hindurch. Die Spülluft wird somit gebündelt und deren Geschwindigkeit erhöht. Da der Durchmesser der Löcher 36 im Vergleich zu dem Durchmesser der Frontscheibe 35 sehr klein ist, prallt die Spülluft mit hoher Geschwindigkeit auf die Frontscheibe 35 auf und kühlt diese durch diesen Aufprall (Prallkühlung), bevor sie anschließend durch die Löcher 36 hindurch in die Brennkammer einströmt. Dadurch ergibt sich eine sehr gute Kühlung der gesamten Attrappenlanzeaustrittsöffnung 31, insbesondere auf deren stromabwärtigen Seite. Außer Verdichterluft kann jedoch noch N2, Luft vom Luftkühler, Dampf oder Wasser zur Kühlung der Attrappenlanzenaustrittsöffnung 31 verwendet werden. Auch die Attrappenlanzenaustrittsöffnung 31 kann eine Ausdehnungsnut 20 mit einem Dichtring 21 aufweisen.

[0014] Wie Fig. 4 zeigt, ist im Düsenrohr 3 eine Düsenscheibe 22 angebracht, welche sich von der Wechsellanze radial um die Wechsellanze bis zum Düsenrohr 3 erstreckt. Die Düsenscheibe 22 weist Durchgänge 23 auf, welche in der Düsenscheibe 22 gleichmäßig verteilt sind. Das Erdgas strömt somit durch die Durchgänge 23 zu der Düsenaustrittsöffnung 13. Durch die gleichmäßige Verteilung der Durchgänge 23 ergibt sich eine weitestgehend gleichmäßige Verteilung der Erdgasströmung durch das Düsenrohr 3.

[0015] Die Wechsellanze weist in Strömungsrichtung gesehen eine Wechsellanzenlänge und einen Wechsellanzendurchmesser auf. Dabei ist der Wechsellanzendurchmesser im Vergleich zur Wechsellanzenlänge klein. Die Düsenscheibe 22 wird nun weitestgehend in der Mitte der Wechsellanzenlänge angeordnet. Da das Verhältnis von Wechsellanzenlänge zu Wechsellanzendurchmesser hoch ist, dient die Düsenscheibe 22 daher zudem als Halter für die Wechsellanze. Die Öllanze 2 bei Ölbetrieb oder die Attrappenlanze 30 wird quasi durch diese Düsenscheibe 22 im Düsenrohr 3 lösbar fixiert. Zudem werden die mechanischen Eigenfrequenz der Brennstoffdüse erhöht. Dadurch ergibt sich eine höhere Steifigkeit.

[0016] Mithilfe der Erfindung ist es nun möglich einen Brenner sowohl im Erdgas oder/und Öl oder/und Synthesegasbetrieb zu betreiben, ohne dass der Brenner ausgetauscht werden muss. Durch die leichte Austauschbarkeit der Öllanze 2 gegen eine Attrappenlanze 30 im Betrieb ohne Öl kann eine solche Brennerbetreibung ohne Ausbau des Brenners erfolgen. Zudem wird im Betrieb ohne Öl die Attrappenlanzenaustrittsöffnung 31 sehr effizient gekühlt, wodurch sich die Lebensdauer der Attrappenlanze 30 erhöht.

Ansprüche

1. Brennstoffdüse umfassend ein Düsenrohr (3) und eine Düsenaustrittsöffnung (13), wobei das Düsenrohr (3) mit einer ersten Brennstoffzufuhrleitung in Verbindung steht zum Zuführen eines ersten Brennstoffes in das Düsenrohr (3),
wobei radial beabstandet um das Düsenrohr (3) ein Außenmantel (16) angeordnet ist, welcher mit dem Düsenrohr (3) einen Ringspalt (17) mit einer Ringspaltaustrittsöffnung (18) ausbildet,
wobei der Ringspalt (17) mit einer zweiten Brennstoffzufuhrleitung in Verbindung steht, zum Zuführen eines zweiten Brennstoffs in den Ringspalt (17), wobei der erste Brennstoff und der zweite Brennstoff über die Düsenaustrittsöffnung (13) und die Ringspaltaustrittsöffnung (18) in eine Brennkammer einströmbar sind,
dadurch gekennzeichnet, dass zentral in dem Düsenrohr (3) eine Wechsellanze mit einer Wechsellanzenaustrittsöffnung angeordnet ist,
wobei die Wechsellanze mit einer Zufuhrleitung lösbar in Verbindung steht zum Zuführen eines Fluids in die Wechsellanze, und wobei das Fluid über die Wechsellanzenaustrittsöffnung in die Brennkammer einbringbar ist,
und wobei die Wechsellanze mit Wechsellanzenaustrittsöffnung sowohl mit dem Düsenrohr (3) als auch mit der Zufuhrleitung zum Austausch der Wechsellanze mit Wechsellanzenaustrittsöffnung lösbar verbunden ist.

2. Brennstoffdüse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der erste Brennstoff ein hochkalorischer Brennstoff und der zweite Brennstoff ein niederkalorischer Brennstoff ist.

3. Brennstoffdüse nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Wechsellanzenaustrittsöffnung und der Düsenaustrittsöffnung (13) eine Ausdehnungsnut (20) angeordnet ist.

4. Brennstoffdüse nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Dichtungsring (21) in der Ausdehnungsnut (20) angeordnet ist.

5. Brennstoffdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechsellanze einen Kompensator umfasst.

6. Brennstoffdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Düsenrohr (3) eine Düsenscheibe (22) angeordnet ist, welche sich von der Wechsellanze radial um die Wechsellanze bis zum Düsenrohr (3) erstreckt, und wobei die Düsenscheibe (22) Durchgänge (23) aufweist, so dass der erste Brennstoff durch die Durchgänge (23) zu der Düsenaustrittsöffnung (13) strömt.

7. Brennstoffdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wechsellanze eine Öllanze (2) ist und das Fluid Öl.

8. Brennstoffdüse nach einem der Ansprüche 1-6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wechsellanze und die Wechsellanzenaustrittsöffnung eine Attrappenlanze (30) mit Attrappenlanzeaustrittsöffnung (31) ist.

9. Brennstoffdüse nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhrleitung eine Bypassleitung (33) ist.

10. Brennstoffdüse nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass von der Bypassleitung (33) Verdichterluft zu der Attrappenlanze (30) zuführbar ist, wobei die Verdichterluft durch die Attrappenlanzeaustrittsöffnung (31) in die Brennkammer einbringbar ist.

11. Brennstoffdüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8-10, dadurch gekennzeichnet, dass die Attrappenlanzeaustrittsöffnung (31) stromaufwärts eine Frontscheibe (35) mit Löchern (36) umfasst, wobei die Frontscheibe (35) einen Mittelpunkt aufweist und die Löcher (36) ringförmig um den Mittelpunkt angeordnet sind.

12. Brennstoffdüse nach einem der Ansprüche 8-11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Attrappenlanzeaustrittsöffnung (31) senkrecht zur Strömungsrichtung eine Platte (40) mit einer zentralen Öffnung (41) angeordnet ist, so dass die Durchströmung der gesamten Verdichterluft zur Attrappenlanzeaustrittsöffnung (31) durch die Öffnung (41) hindurch stattfindet.

Zeichnung