Brenner mit selektiver Anpassung des Bohrungsmusters für die Gaseindüsung

Die Erfindung betrifft eine Brenneranordnung mit selektiver Anpassung des Bohrungsmusters für die Gaseindüsung an die räumliche Verteilung des Massenstroms der zuströmenden Luft, sowie ein Verfahren zur Ertüchtigung eines Brenners für eine homogene Vormischung von Brennstoff und Luft.

Im Zuge der Weiterentwicklung von Gasturbinen wird häufig ei ne deutliche Anhebung der Brennkammertemperatur vorgesehen, was bei ansonsten unveränderten Bedingungen zum Anstieg der Stickoxid-Emissionen (NOx-Emissionen) führt. Unabhängig davon wird im Zuge einer Verschärfung der Emissionsgrenzwerte bei Altanlagen bei unveränderten Leistungsdaten ggf. eine Verrin gerung der NOx-Emissionen erforderlich.

Die Anwendung der mageren Vormischverbrennung zur Minimierung der NOx-Emissionen erfordert eine möglichst homogene Vormi schung von Brennstoff mit der dem Brenner zugeführten Ver brennungsluft .

Aus Kostengründen wird versucht, die verwendeten Gaseinmisch elemente in den Brennern möglichst identisch auszuführen. In der Praxis wird die Aufgabe erschwert, da die räumliche Ver teilung der anströmenden Luft zu den Brennern unter Umständen nicht gleichförmig ist, d.h. es können Bereiche am Brenner eintritt vorhanden sein, in denen mehr Luft in den Brenner strömt als an anderen Stellen. Zusätzlich befindet sich in der Regel im Brenner ebenfalls ein Verteiler zu den einzelnen Gasaustrittsbohrungen, der lediglich bei sehr großem Druck verlust über die Bohrungen den Brennstoff praktisch ideal verteilen kann. Eine Verringerung des erforderlichen brenn stoffseitigen Druckverlusts stellt einen u. U. erheblichen energetischen Vorteil für den Betreiber dar. Die EP 1 654 496 offenbart beispielsweise einen Brenner, des sen Flammen durch drallinduzierte Rezirkulationszonen und Pi lotflammen stabilisiert werden. Die drallerzeugenden Bauele mente sind dabei hohle Umlenkschaufeln, wobei der Hohlraum dazu dient, den Brennstoff auf Bohrungen vom Hohlraum zur Schaufeloberfläche zu verteilen und so in die querströmende Luft einzudüsen. Um einen Einfluss der Luftverteilung auf die Gemischbildung und damit die NOx-Emissionen zu minimieren, werden gegebenenfalls Strömungswiderstände (Lochbleche) oder Leitbleche verwendet, um eine Vergleichmäßigung der

Luftzuströmung zum Brenner zu erreichen. Weitere Beispiele dafür sind zu finden in EP 2 162 681 Bl, WO 2014/131597 Al,

EP 2 189 722 Bl oder US 7,540,152 B2. Derartige Einbauten in die Luftströmung können aber unter Umständen mit einer Erhö hung des Brennkammerdruckverlustes einhergehen und sind damit häufig mit einer Wirkungsgradverringerung der Gasturbine ver bunden .

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brenneranordnung für eine homogene Vormischung von Brennstoff und Luft bereitzustellen, wodurch verringerte NOx-Emissionen ermöglicht werden.

Die Erfindung sieht vor, dass bei einer Brenneranordnung, um fassend eine Brennkammer und mehrere an der Brennkammer auf einem Kreis angeordnete Brenner, wobei die Brenner

drallerzeugende Einbauten umfassen, zwischen denen Passagen ausgebildet sind, durch die im Betrieb Luft hindurchströmt und in denen Brennstoff über BrennstoffÖffnungen der Luft beigemischt wird, wobei sich die Passagen hinsichtlich Anzahl und/oder Größe der BrennstoffÖffnungen unterscheiden, die Brenneranordnung ferner umfassend einen radial außerhalb oder innerhalb des Kreises umlaufenden Ringspalt durch den im Be trieb Luft um die Brennkammer einseitig seitlich zu den Bren nern strömt, die dem Ringspalt nächstgelegenen Passagen der Brenner mehr oder größere BrennstoffÖffnungen aufweisen, als die vom Ringspalt am weitesten entfernten Passagen der Bren- ner . Der Erfindung liegt somit die Idee zugrunde, die Brennstoff massenströme pro Passage an die Luftmassenströme durch die jeweilige Passage anzupassen. Die Erfindung sieht daher vor, die Anzahl oder die Größe der BrennstoffÖffnungen in den drallerzeugenden Einbauten (Schaufeln oder andere Brennstoff eindüselemente) so anzuordnen, dass in Passagen, die mit mehr Luft beaufschlagt werden, auch mehr (oder größere) Brenn stoffÖffnungen angeordnet sind, als in anderen Passagen, so dass den „direkt" aus dem Ringspalt angeströmten Passagen mehr Brennstoff zugespeist werden kann, als den eher abge wandten Passagen.

Vorteilhafter Weise werden in einem Brenner, dessen Passagen neben den drallerzeugenden Einbauten durch einen inneren und einen äußeren Kegel begrenzt werden, näher am inneren Kegel als am äußeren Kegel liegende BrennstoffÖffnungen verschlos sen oder weggelassen. Das Verschließen oder Weglassen der BrennstoffÖffnungen am inneren Kegel ist deshalb sinnvoller als weiter radial außen, da die Breite der Passage und somit auch die strömende Luftmenge von innen nach außen zunimmt. Soll jedoch mehr als eine BrennstoffÖffnung pro Passage ver schlossen werden oder entfallen, kann es allerdings im Hin blick auf eine bessere radiale Mischung in der jeweiligen Passage sinnvoll sein, wenn eine erste BrennstoffÖffnung in der Nähe des inneren Kegels und eine weitere BrennstoffÖff nung in der Nähe des äußeren Kegel verschlossen oder wegge lassen wird.

Zusätzlich zu der positiven Kompensation einer ungünstigen Luftverteilung ist es mit der Erfindung auch möglich, Un gleichförmigkeiten in den Brennstoffverteilungssystemen selbst zu kompensieren.

Die Erfindung hat ein großes Potential insbesondere die NO _x - Emissionen für Silomaschinen zu reduzieren. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit Garantiewerte für Stickoxidemissionen leichter einzuhalten, bzw. höhere Flammentemperaturen bei gleichen NOx-Emissionen zu erreichen, was für das Erreichen von Leistungs- und CO-Zielen (Kohlenmonoxid) hilfreich ist. Außerdem ist eine gleichmäßigere Belastung der Flammrohrwände zu erwarten, was Kühllufteinsparungen und damit eine weitere NOx-Absenkung möglich macht.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:

Figur 1 einen Längsschnitt durch einen halben Brenner aus dem Stand der Technik,

Figur 2 den Einbau und die Anströmsituation in einer Gas turbine und

Figur 3 die Anströmsituation mit Blick in Richtung der

Luftströmung in die Vormischpassagen des Brenners.

Figur 1 zeigt einen Ausschnitt eines Brenners 1 aus dem Stand der Technik, umfassend einen Hauptbrenner 10 und einen Pilot brenner 11.

Die Passagen 3 im Hauptbrenner 10 zur Mischung von Brennstoff und Luft vor der Verbrennung sind durch einen radial inneren Kegel 5, einen um den radial inneren Kegel 5 herum angeordne ten radial äußeren Kegel 6, sowie drallerzeugende Einbauten 2, die sich vom radial inneren Kegel 5 zum radial äußeren Ke gel 6 erstrecken, gebildet. Diese drallerzeugenden Einbauten 2 bilden ein ringförmiges Drallgitter.

Im Stand der Technik haben alle auf dem Umfang des Brenners 1 angeordneten drallerzeugenden Einbauten 2 die gleiche Anzahl oder Größe und Anordnung von BrennstoffÖffnungen 4. Gegebe nenfalls wird durch ein Lochblech (nicht gezeigt) stromauf der drallerzeugenden Einbauten 2 versucht, die Verteilung der anströmenden Luft 17 auf die Passagen 3 möglichst zu

vergleichmäßigen .

Im Betrieb wird Brennstoff über den radial inneren Kegel 5 (Nabe) den hohlen, drallerzeugenden Einbauten 2 zugeführt und über die BrennstoffÖffnungen 4 in die Passagen 3 geleitet bzw. der Luft zugemischt. Die BrennstoffÖffnungen 4 sind an verschiedenen radialen Positionen auf den drallerzeugenden Einbauten 2 angeordnet.

Figur 2 zeigt den Einbau und die Anströmsituation eines Bren ners 1 einer Brenneranordnung 7 in einer Gasturbine am Bei spiel einer Silo-Brennkammer 8. Auch wenn die Figur 2 einen Ausschnitt der Brenneranordnung 7 mit nur einem Brenner zeigt, umfasst die Brenneranordnung 7 mehrere auf einem Kreis angeordnete Brenner 1, sowie einen radial außerhalb des Krei ses umlaufenden Ringspalt 9 durch den im Betrieb Luft um die Brennkammer 8 einseitig seitlich zu den Brennern 1 strömt. Alternativ gibt es auch Brenneranordnungen mit radial inner halb des Kreises, auf dem die Brenner angeordnet sind, umlau fenden Ringspalten. Die Asymmetrie der Anströmung ergibt sich aufgrund der Anordnung der Brenner 1 auf einem Kreis. Passa gen 3, die eher radial außen bezogen auf eine Brennkammerach se 13 angeordnet sind (in der Nähe der zusätzlich mit 14 be- zeichneten Passage 3 in der Figur 3) werden z.B. mit einem deutlich größeren Luftstrom 17 beaufschlagt als Passagen 3, die eher radial innen (in der Nähe der zusätzlich mit 15 be- zeichneten Passage 3) bezogen auf die Brennkammerachse 13 an geordnet sind. Dieser Asymmetrie überlagert sich eine weite re, nämlich eine ungleiche Verteilung des Luftmassenstroms in radialer Richtung innerhalb der Brenner 1 selbst, da der Ab stand zwischen den drallerzeugenden Einbauten 2 von innen nach außen zunimmt (siehe auch Figur 3 mit einem Blick in die Passagen 3.

Um die Durchmischung von Luft und Brennstoff zu verbessern, schlägt die Erfindung daher die selektive Anpassung der einer Passage 3 zugeführten Brennstoffmenge durch Verschließen oder Weglassen entsprechender BrennstoffÖffnungen 4 vor, und zwar derart, dass das Verschließen oder Weglassen in den Bereichen einer betroffenen Passage 3 erfolgt, in denen ohnehin ver gleichsweise wenig Luft strömt, also radial innen, in der Nä he des inneren Kegels 5. In der Figur 1 sind die wegzulassen- den oder zu verschließenden BrennstoffÖffnungen mit dem Be zugszeichen 16 versehen.

Am Beispiel der Figur 2 bedeutet dies, dass die meisten BrennstoffÖffnungen 4 des gezeigten Brenners 1 in Passagen 3 angeordnet sind, die in der Nähe des Ringspalts 9 liegen, durch den die Luft um die Brennkammer 8 zu den Brennern 1 strömt, also in der unmittelbaren Umgebung der äußeren Passa ge 14 der Figur 3.