Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennkammer von Gasturbinen für den Betrieb mit Flüssigbrennstoffen. Sie betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennkammer.
Bei der vorliegenden Erfindung geht es um eine technische Neuerung bei Brennkammern von Gasturbinen, bei welchen eine trockene, NOx- arme Verbrennung von Flüssigbrennstoffen in Gasturbinenbrennkammern angestrebt wird. Zur Erzielung einer primärseitigen Reduktion der NOx-Emissionswerte beim Betrieb von Gasturbinenbrennkammern mit gasförmigen Brennstoffen sind grundsätzlich vier Prinzipien bekannt:
Die niedrigen vom Gesetzgeber noch tolerierten NOx-Emissionswerte können im Fall einer flächenartigen Verbrennung höchstens dann eingehalten werden, wenn die Aufenthaltszeit der Gasteilchen in heissen sauerstoffreichen Zonen möglichst kurz ist, nämlich nicht mehr als einige Millisekunden. Andererseits, damit niedrige CO-Emissionswerte erreicht werden können, darf im Reaktionsbereich eine gewisse Grenztemperatur nicht unterschritten werden.
Ausserdem ist es bekannt, dass die Vermeidung von NOX mit Brennkammerkonzepten mit gestufter Verbrennung erzielbar ist. Diese Stufung kann bedeuten, entweder eine unterstöchiometrische Primärverbrennungszone mit anschliessender Nachverbrennung bei tiefen Temperaturen oder die stufenweise Zuschaltung überstöchiometrischer betriebener Brennerelemente. In jedem Fall erfordert die Stufung auch einen kraftvollen Mischmechanismus.
Das Prinzip der Vormischverbrennung hat sich für die Verbrennung von gasförmigen Brennstoffen als technisch beste Massnahme zur NOx-Reduktion erwiesen.
Eine Vormischverbrennung kann beispielsweise darin bestehen, dass innerhalb einer Anzahl rohrförmiger Elemente zwischen dem Brennstoff und der Verdichterluft ein Vormischprozess bei grosser Luftzahl abläuft, bevor der eigentliche Verbrennungsprozess stromabwärts eines Flammenhalters stattfindet. Hierdurch können die Emissionswerte an Schadstoffen aus der Verbrennung erheblich reduziert werden. Die Verbrennung mit der grösstmöglichen Luftzahl - einmal dadurch gegeben, dass die Flamme überhaupt noch brennt und im weiteren dadurch, dass nicht zuviel CO entsteht - vermindert indessen nicht nur die Schadstoffmenge von NOx, sondern bewirkt darüber hinaus auch eine konsistente Herabsetzung anderer Schadstoffe, nämlich wie bereits erwähnt von CO und von unverbrannten Kohlenwasserstoffen. Dieser Optimierungsprozess kann bei der bekannten Brennkammer, hinsichtlich tieferer NOx-Emissionswerte, dahingehend getrieben werden, dass der Raum für Verbrennung und Nachreaktion viel länger gehalten wird als es für die eigentliche Verbrennung notwendig wäre. Dies erlaubt die Wahl einer grossen Luftzahl, wobei dann zwar zunächst grössere Mengen an CO entstehen, diese aber zu C02 weiter reagieren können, so dass schliesslich die CO-Emissionen doch klein bleiben. Auf der anderen Seite bilden sich aber wegen der grossen Luftzahl eben tiefere NOx-Emissionswerte. Bei derartiger Vormischverbrennungstechnik muss lediglich sichergestellt werden, dass die Flammstabilität, insbesondere bei Teillast, nicht an die Löschgrenze aufgrund des sehr mageren Gemisches und der sich daraus ergebenden niedrigen Flammentemperatur stösst. Eine solche Vorkehrung ist beispielsweise anhand einer Brennstoffregulierung sowie der stufenweise in Betrieb genommenen Vormischelemente in Abhängigkeit zur Maschinendrehzahl zu bewerkstelligen.
Aus EP-A-0 169 431 ist eine Brennkammer einer Gasturbine bekanntgeworden, welche für die Verbrennung eines gasförmigen Brennstoffes ausgelegt ist. Diese Brennkammer ist von rohrförmigem Aufbau, wobei dem Hauptbrennteil am Anfang der Brennkammer eine weitere Brennzone nachgeschaltet ist. Der Hauptbrennteil besteht aus einem kurzen, hohlen, in der Brennkammer mittig plazierten Kegel, der kranzförmig von einer Anzahl Brennstoffdüsen umgeben ist. Der Brennstoffstrahl aus diesen Düsen erfährt eine Zumischung mit Luft, die von aussen in den Vorderteil der Brennkammer und von innen über den Kegelhohlraum im Bereich dieser Düsen einströmt. Im wesentlichen kommt demnach bei diesem Vorschlag zu den bereits oben gewürdigten Verbrennungsarten, die zum Stand der Technik gehören, nämlich es findet hier partiell eine Verbrennung mit unterstöchiometrischen Bedingungen und eine vormischartige Hauptverbrennung statt, deren Stützung durch die hintere Brennkammer bewerkstelligt wird.
Zusammenfassend sind aus einer solchen Brennkammer folgende Unzulänglichkeiten zu erwarten:
Aufgrund der kurzen Zündverzugszeiten bis zur Selbstzündung von flüssigen Brennstoffen, beispielsweise Diesel, kommt eine Vormischverbrennung von Flüssigbrennstoffen immer weniger in Frage, denn die Entwicklung im modernen Gasturbinenbau strebt eine weitere Erhöhung des an sich schon heute bereits sehr hoch gewählten Brennkammerdruckes an. Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen.
Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkammer der eingangs genannten Art vergleichbare niedrige NOx-Emissionswerte wie bei mit gasförmigen Brennstoffen betriebenen Brennkammern zu erreichen, ohne das Risiko einer Selbstzündung der Flüssigbrennstoffe ausserhalb des Brennraumes einzugehen.
Der Vorteil der Erfindung ist im wesentlichen darin zu sehen, dass auf einfache Weise ein System bereitgestellt wird, das niedrige NOx-Emissionen erzeugt, wobei dieses System ohne die an sich recht aufwendige Technik und Infrastruktur zur Erzielung der Vormischung auskommt.
Die Idee besteht grundsätzlich darin, ein Primärbrenner- und Nachbrennersystem vorzusehen. Der flüssige Brennstoff wird direkt in den Brennraum eingespritzt. Beim Nachbrenner wird der eingespritzte Brennstoff mit einem Luftmantel abgeschirmt, wobei es sich hier um einen nicht selbstgängigen Brenner handelt. Der Nachbrenner, der in einer Zentralkammer am Ende der Primärbrennerkammer plaziert ist, wird jeweils in Kombination mit einem oder mehreren Primärbrennern eingesetzt. Die von den Primärbrennern erzeugten Heissgase sollen das vom Nachbrenner erzeugte Gemisch nicht in unmittelbarer Nähe der Brennstoffdüse des Nachbrenners zünden können, um eine Verbrennung bei nahstöchiometrischen Bedingungen zu vermeiden. Dafür sorgt der abschirmende Luftmantel, der unverdrallt ist und der den von der Nachbrennerdüse ausgehenden Brennstoffnebel zunächst wirksam gegen die äusseren Heissgase abschirmt. Eine Zündung des Nachbrennergemisches soll erst dann möglich werden, wenn sich der von der Nachbrennerdüse eingebrachte Flüssigbrennstoff ausreichend stark mit der abschirmenden Mantelluft und mit dem lufthaltigen Heissgas vermischt hat, so dass die Verbrennung im mageren Gemisch bei tiefen Temperaturen stattfindet.
Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Im folgenden werden anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Die Zeichnung zeigt:
Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen bezeichnet. In den verschiedenen Figuren sind jeweils gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt eine Brennkammer für Gasturbinen, die im GT-Ringgehäuse 1 untergebracht ist. Ist die ganze Brennkammer in ein GT-Ringgehäuse 1 eingebettet, so ist sie mit der verdichteten Luft 11 aus dem Verdichter 10 kammerartig verbunden. Die Gasturbinen-Ringgehäusewand ist so ausgelegt, dass sie dem Verdichterenddruck standhält. Die geometrische Form des Brennraumes ist, wie der axiale Schnitt 12 versinnbildlichen will, kreisringzylindrisch und besteht aus zwei endseitig angeordneten Primärbrennkammern 5, 5a, die gegenüber der Zentralbrennkammer 6 symmetrisch und V-förmig angeordnet sind. Selbstverständlich können die Primärbrennkammern 5, 5a gegenüber der Zentralachse der Zentralbrennkammer 6 in einer waagrechten Ebene liegen. Die Primärbrennkammern 5, 5a selbst sind an ihren stirnseitigen Enden in Umfangsrichtung mit einer von der Leistung der Brennkammer abhängigen Anzahl axialparallel angeordneter Primärbrenner 2, 2a bestückt. Diese bestehen im wesentlichen aus einer Brennstoffleitung 3, 3a und aus einem Drallkörper 8, 8a.
Statt einer durchgehenden kreisringzylindrischen Primärbrennkammer 5, 5a können auf den Umfang verteilt, mehrere in sich abgeschlossene Brennkammereinheiten vorgesehen werden, die jeweils aus einem Paar Zwillingsbrennern mit vorzugsweise drehsinnentgegengesetzt orientierten Drallkörpern bestehen. Dies bewirkt, dass in den einzelnen Brennkammereinheiten ein wirkungsvoller Mischvorgang erzeugt werden kann, wobei ein kreisringzylindrischer Austrittskanal die aus den einzelnen Brennkammereinheiten austretenden Heissgase sammelt, um sie dann zur Zentralbrennkammer 6 zu führen. Wird die hier dargestellte durchgehende kreisringzylindrische Primärbrennkammer 5 und 5a vorgesehen, so können die dort nebeneinander axialparallel angeordneten Primärbrenner 2 oder 2a wechselweise auch mit drehsinnentgegengesetzt orientierten Drallkörpern 8, 8a bestückt werden. In Kombination mit vorzugsweise zwei gegenüberliegenden Primärbrennern 2, 2a ist jeweils ein Nachbrenner 4 vorgesehen. Vom Nachbrenner 4 aus wird flüssiger Brennstoff 15 direkt in den Brennraum eingegeben und mit einem Luftmantel 14 abgeschirmt. Der Nachbrenner 4 ist so konzipiert, dass er nicht selbstgängig ist, d.h. zu dessen Gemischverbrennung braucht es eine permanente Zündung. Die von den Primärbrennern 2, 2a erzeugten Heissgase 13 sollen das vom Nachbrenner 4 erzeugte Gemisch 14/15 nicht in unmittelbarer Nähe der Brennstoffdüse des Nachbrenners 4 zünden können. Dafür sorgt der abschirmende Luftmantel 14, der vorzugsweise unverdrallt sein soll und den von der Nachbrennerdüse ausgehenden Brennstoffnebel 15 zunächst wirksam gegen die dort ankommenden Heissgase 13 der Primärbrenner 2, 2a abschirmt. Eine Zündung des Nachbrennergemisches 14/15 soll erst dann möglich sein, wenn sich der von der Brennerdüse eingebrachte Flüssigbrennstoff 15 ausreichend stark mit dem abschirmenden Luftmantel 14 vermischt hat. Die auf die Brennstoffzufuhr des Nachbrenners 4 und den Luftmantel 14 bezogene Luftzahl ist nach den gleichen Kriterien wie für einen Vormischbrenner festgelegt. Bei diesem Nachbrennerprinzip spielt die rasche Einmischung der Heissgase 13, nachdem diese die erste Fremdzündung des Nachbrennergemisches 14/15 eingeleitet haben, eine wichtige Rolle für die Stabilität der Verbrennung, weshalb zu achten ist, dass das Impulsdichtenverhältnis zwischen Primärbrennergasen 13 und Nachbrennergemisch 14/15 sehr hoch - weit über 1 - gewählt wird. Dabei ist erhärtet, dass ein optimal ausgelegter Nachbrenner 4 kaum mehr NOX als ein Vormischbrenner produziert, während die Primärbrenner 2, 2a, die selbstverständlich selbstgängig sein müssen, beispielsweise als Diffusionsbrenner ausgelegt, wesentlich höhere NOx-Emissionen verursachen. Aus diesem Grund ist in einer Gasturbinenbrennkammer vorzukehren, einen möglichst hohen Anteil des flüssigen Brennstoffes über die Nachbrenner 4 zuzuführen. Die Primärbrenner 2, 2a sind daher möglichst klein zu planen und sie sollen mit hohen Luftzahlen betrieben werden: Beide Massnahmen ermöglichen, die NOx-Emissionen aus dem Betrieb der Primärbrenner 2, 2a so niedrig als möglich zu halten. Folgerichtig ergibt dies für den Betrieb einer Gasturbinenbrennkammer, dass die Primärbrenner 2, 2a und die Nachbrenner 4 gestuft betrieben werden. Vorzugsweise bei einem Lastpunkt in der Nähe von Nullast der Gasturbinen werden die Nachbrenner 4 zugeschaltet. Zwischen dem Zuschaltpunkt und maximaler Last wird die Last nur über die Brennstoffzufuhr zu den Nachbrennern 4 geregelt, wobei dann mit zunehmender Nachbrennerlast eine schrittweise Reduktion der Brennstoffzufuhr zu den Primärbrennern 2, 2a eingeleitet werden kann. Die untere Grenze für die Reduktion der Brennstoffzufuhr zu den Primärbrennern 2, 2a ist gegeben einerseits durch die Löschgrenze der Primärbrenner und andererseits durch die Notwendigkeit, dass die Temperatur des Abgases der Primärbrenner genügend hoch sein muss, um den Ausbrand des Nachbrennerbrennstoffs einzuleiten. Der Luftmantel 14 schirmt den Nachbrenner 4 sowie dessen Flüssigbrennstoff-Sprühkegel 15 vor den heranströmenden Heissgasen 13 aus den Primärbrennern 2, 2a ab. Wie bereits erläutert, soll das vom Nachbrenner 4 erzeugte Gemisch 14/15 nicht in unmittelbarer Nähe der Brennstoffdüse 15 bei nahstöchiometrischen Bedingungen zur Zündung kommen. Eine Zündung des Nachbrennergemisches 14/15 soll erst dann möglich sein, wenn sich der von der Nachbrennerdüse eingebrachte Flüssigbrennstoff 15 ausreichend stark mit dem abschirmenden Luftmantel 14 vermischt hat, also stromabwärts der Zentralbrennkammer 6. Weiter stromabwärts befindet sich die Mischkammer 7, welche dafür sorgt, dass eine wirbelfreie Strömung mit gleichförmigem Gesamtdruck und Temperaturprofil entstehen kann, bevor die Turbine 9 beaufschlagt wird.
Grundsätzlich ist die Länge der Mischkammer 7 stark von der Stärke des Mischvorganges abhängig: Beobachtungen haben ergeben, dass eine wirbelfreie Strömung mit gleichmässigem Druck nach einer Länge von etwa drei Durchmessern der entsprechenden Brennkammereinheit gut erreicht wird. Was die optimale Ausführung der Primärbrenner 2, 2a betrifft, so wird auf die Beschreibung gemäss EP-0 193 029, insbesondere unter Fig. 2, verwiesen.
Die gemäss Fig. 2 ersichtliche Lösung will den Nachbrenner 4 weitergehend vor den heranströmenden Heissgasen 13 der Primärbrenner 2, 2a schützen. Zu diesem Zweck wird der Einlauf 16 der abschirmenden Luft 14 in die Brennkammer mindestens' so verlängert, dass der Flüssigbrennstoff-Sprühkegel 15 mitabgeschirmt wird. Die Heissgase 13 strömen erst weiter stromabwärts zum Nachbrennergemisch 14/15 hinzu; dort ist die Vermischung des Flüssigbrennstoffes 15 mit der abschirmenden Mantelluft 14 soweit fortgeschritten, dass eine Zündung dieses Gemisches 14/15 vonstatten gehen kann.
Fig. 3 zeigt eine weitere Variante, wie der Nachbrenner 4 und dessen Flüssigbrennstoff-Sprühkegel 15 vor den heranströmenden Heissgasen 13 im Bereich der Zentralbrennkammer 6 abgeschirmt werden können. Die abschirmende Luft 14 strömt einerseits entlang des Nachbrenners 4 und andererseits seitlich zwischen mehreren Lamellen 17 hindurch in die Zentralbrennkammer 6. Eine solche Vorkehrung bietet den Vorteil, dass damit die Vermischung zwischen Flüssigbrennstoff 15 und abschirmender Luft 14 vor der Mischkammer 7 optimiert wird. Bereits am Anfang der Mischkammer 7 findet dann die Zündung dieses Gemisches 14/15 durch die dort einmündenden Heissgase 13 statt. Damit verbleibt die ganze Länge der Mischkammer 7 zur Verfügung, um eine wirbelfreie Strömung mit gleichmässigem Druck und Temperaturprofil für die zu beaufschlagende Turbine bereit zu stellen.