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Title:
METHOD FOR OPERATION OF A BURNER AND BURNER IN PARTICULAR FOR A GAS TURBINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2003/060301
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for operation of a burner (1), whereby a mixture used for burning is supplied to the burner (1) in a two-stage process. In a first step atomised water is mixed with combustion air (L) and said mixture is mixed with a fuel in a second step and then supplied to the burner. Said burner comprises means for carrying out the above method.

Inventors:
Kessler, Alfred (Grossgeschaidt Nr. 287, Heroldsberg, 90562, DE)
Application Number:
PCT/EP2003/000109
Publication Date:
July 24, 2003
Filing Date:
January 08, 2003
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Wittelsbacherplatz 2, München, 80333, DE)
Kessler, Alfred (Grossgeschaidt Nr. 287, Heroldsberg, 90562, DE)
International Classes:
F02C3/30; F23C99/00; F23D17/00; F23L7/00; F23R3/28; F23R3/30; (IPC1-7): F02C3/30; F23D17/00
Domestic Patent References:
WO1989008803A1
Foreign References:
DE4212810A1
US4977740A
DE19855069A1
US4600151A
DE19535370A1
DE19520292A1
DE3614243A1
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Postfach 22 16 34, München, 80506, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb mindestens eines Brenners (1), ins besondere einer Gasturbine, wobei dem Brenner Verbren nungsluft (L), Wasser (W) und ein Brennstoff zugeführt wird, wobei das Wasser (W) zerstäubt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in ei nem ersten Schritt das zerstäubte Wasser (W) mit der Verbrennungsluft (L) zu einem WasserVerbrennungsluft Gemisch (24) vermischt wird und dass in einem zweiten Schritt das WasserVerbrennungsluftGemisch (24) mit dem Brennstoff zu einem WasserVerbrennungsluft Brennstoffgemisch vermischt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Brenner (1) als Hyb ridbrenner für einen Betrieb mit Gas und Öl als alterna tive Brennstoffe ausgelegt ist und der Brenner (1) mit einer Gasvormischund einer ÖlvormischLeitung verbunden ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Brenner (1) mit Öl als Brennstoff betrieben wird und das Wasser der GasvormischLeitung zugeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Brenner (1) mit Gas als Brennstoff betrieben wird und das Wasser (W) der ÖlvormischLeitung zugeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Armatur vorgesehen ist, mittels welcher das Wasser (W) in Abhängigkeit von einer momentanen Betriebsart des Bren ners hinsichtlich des zugeführten Brennstoffs entweder der GasvormischLeitung oder der ÖlvormischLeitung zuge führt wird.
6. Brenner (1), insbesondere einer Gasturbine g e k e n n z e i c h n e t d u r c h erste Mittel (14,20) zur Vermischung von Wasser und Verbrennungsluft zu einem WasserVerbrennungsluftGemisch (24), wobei das Wasser (W) zerstäubt wird und zweite, von den ersten Mit teln unterschiedliche, Mittel (5,7) zur Vermischung des WasserVerbrennungsluftGemisches (24) mit einem Brenn stoff zu einem WasserVerbrennungsluftBrennstoff Gemisch.
7. Brenner (1) nach Anspruch 6, wobei der Brenner (1) als Hybridbrenner für einen Betrieb mit Gas und Öl als alter native Brennstoffe ausgebildet ist und der Brenner mit einer Gasvormischund einer ÖlvormischLeitung verbunden ist.
8. Brenner (1) nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Wasser (W) in die GasvormischLeitung eingespeist ist.
9. Brenner (1) nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Wasser in die ÖlvormischLeitung eingespeist ist.
10. Brenner (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Wasser (W) in Abhängigkeit von einer momentanen Betriebs art des Brenners hinsichtlich des zugeführten Brennstoffs mittels einer Armatur, bevorzugt einer DreiwegeArmatur, entweder in die GasvormischLeitung oder in die Ölvor mischLeitung eingespeist ist.
Description:
Beschreibung Verfahren zum Betrieb eines Brenners sowie Brenner, insbeson- dere für eine Gasturbine Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Bren- ners. Sie betrifft weiterhin einen Brenner, insbesondere für eine Gasturbine.

Bei einer Turbine, welche mit fossilem Brennstoff betrieben wird, insbesondere einer Gasturbine, sind in der Regel eine Anzahl von Brennern vorgesehen, welche in einer Brennkammer der Turbine angeordnet sind. Die Brenner haben im Wesentli- chen die Aufgabe, ein der Brennkammer zugeführtes Brennstoff- gemisch zuverlässig zu zünden, um so ein für den Betrieb der Laufschaufeln der Turbine erforderliches Heißgas zu erzeugen.

Der Verbrennungsprozess soll dabei u. a. das Brennstoffgemisch unter möglichst hohem Wirkungsgrad verwerten, wobei ein mög- lichst geringer Anteil an Schadstoffen, beispielsweise NOx, entstehen soll.

Herkömmlichen Brennern wird dazu ein Brennstoff-Luft-Gemisch als Brennstoffgemisch sowie zerstäubtes Wasser zugeführt, welche dem Brenner gleichzeitig zugeführt werden. Dazu werden die genannten Stoffe beispielsweise dem Brenner über dessen in einen Brennraum der Brennkammer ragende Lanze zugeführt.

Das zerstäubte Wasser hat dabei vor allem die Aufgabe, die beim Verbrennungsprozess entstehenden Schadstoffe, insbeson- dere NOx, zu reduzieren. Bei der Zuführung des zerstäubten Wassers wird dieses in das Flammenzentrum des jeweiligen Brenners eingespritzt.

Nachteilig dabei ist, dass die genannte direkte Einspritzung des Wassers in das Flammenzentrum-trotz seiner NOx-redu- zierenden Wirkung-zu einer Instabilität des Verbrennungs- prozesses, vor allem hinsichtlich der Stabilität der vom Brenner erzeugten Flamme, führt, da die Flamme durch das zu-

geführte Wasser zumindest teilweise gelöscht und/oder gehemmt wird. Treten derartige Löscheffekte bei mehreren Brennern der Turbine auf, so kann der Verbrennungsprozess nicht mehr sta- bil und kontinuierlich verlaufen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Brenners, sowie einen Brenner, insbesondere einer Gasturbine, anzugeben, welche die Nachteile bekannter Verfahren sowie Brenner vermeiden und insbesondere einen sta- bilen, kontinuierlichen Verbrennungsprozess gewährleisten.

Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß ge- löst durch ein Verfahren zum Betrieb mindestens eines Bren- ners, insbesondere einer Gasturbine, wobei dem Brenner Verbrennungsluft, Wasser und ein Brennstoff zugeführt wird, wobei in einem ersten Schritt das zerstäubte Wasser mit der Verbrennungsluft zu einem Wasser-Verbrennungsluft-Gemisch vermischt wird und in einem zweiten Schritt das Wasser- Verbrennungsluft-Gemisch mit dem Brennstoff zu einem Wasser- Verbrennungsluft-Brennstoffgemisch vermischt wird.

Mit dem Begriff Wasser wird auch Dampf umfasst. Ein erfin- dungsgemäßes Verfahren wird auch als"wet combustion"be- zeichnet.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein zwei- stufiges Verfahren ("Zweiphasen-Vormischung") bezüglich der Aufbereitung eines dem Brenner zuzuführenden Gemisches im Un- terschied zum bekannten einstufigen Verfahren, bei welchem das Gemisch in einem Schritt hergestellt und dem Brenner zu- geführt wird.

Dadurch ist vermieden, dass das Wasser direkt in das Flammen- zentrum eingespritzt ("eingedüst") wird. Der Verbrennungspro- zess verläuft daher besonders stabil und kontinuierlich.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Brenner ausgebildet als Hybridbrenner, welcher sowohl mit Gas als auch mit Öl als Brennstoff betreibbar ist und der Brenner ist mit einer Gasvormisch-und einer Ölvormisch-Leitung ver- bunden.

Derartige Hybridbrenner werden häufig bei Gasturbinen einge- setzt, um deren Betrieb alternativ mit zwei Brennstoffen durchführen zu können.

Bei einem Hybridbrenner sind üblicherweise zwei separate Vor- mischleitungen, welche als Ringleitungen ausgebildet sein können, vorgesehen, in welche abhängig von einer vorgesehenen Betriebsart der Gasturbine hinsichtlich des zugeführten Brennstoffs der jeweilige Brennstoff eingespeist und mit Verbrennungsluft vermischt ist. Die jeweils andere Vormisch- leitung wird dann nicht benutzt und kann zur Zuführung des Wassers genutzt werden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Brenner mit Öl als Brennstoff betrieben und das Wasser der Gasvormisch-Leitung zugeführt.

Bei dieser Ausführungsform wird der Hybridbrenner mit Öl als Brennstoff betrieben ; die Gasvormisch-Leitung sind bei dieser Betriebsart (Öl-Betrieb) insofern außer Funktion, als dass dieser kein Gas als Brennstoff zugeführt wird. Diese Tatsache wird ausgenutzt, um der Gasvormisch-Leitung bei Öl-Betrieb eine neue Funktion zu verleihen. In die bestehende Gasvor- misch-Leitung wird das Wasser eingespeist, so dass keine se- parate Wasserzufuhr-Leitung nötig ist.

Dabei kommt es zu einer gleichmäßigen Zerstäubung und Ver- dampfung des (einzuspritzenden) Wassers und zu einer gleich- mäßigen Vermischung mit der Verbrennungsluft bevor diese mit Wasser und/oder Wasserdampf angereicherte Verbrennungsluft mit dem über die Ölvormisch-Leitung eingedüsten Öl dem Bren-

ner zugeführt wird, bevorzugt dem Bereich der sog. Pilotflam- me des Brenners.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird der Hyb- ridbrenner mit Gas als Brennstoff betrieben ; die Ölvormisch- Leitung sind bei dieser Betriebsart (Gas-Betrieb) insofern außer Funktion, als dass dieser kein Öl als Brennstoff zuge- führt wird. Diese Tatsache wird ausgenutzt, um der Ölvor- misch-Leitung bei Gas-Betrieb eine neue Funktion zu verlei- hen. In die bestehende Ölvormisch-Leitung wird das Wasser eingespeist, so dass keine separate Wasserzufuhr-Leitung nö- tig ist.

Dabei kommt es zu einer gleichmäßigen Zerstäubung und Ver- dampfung des (einzuspritzenden) Wassers und zu einer gleich- mäßigen Vermischung mit der Verbrennungsluft bevor diese mit Wasser und/oder Wasserdampf angereicherte Verbrennungsluft mit dem über die Gasvormisch-Leitung eingedüsten Gas dem Brenner zugeführt wird, bevorzugt dem Bereich der sog. Pilot- flamme des Brenners.

Bevorzugt ist eine Armatur vorgesehen, insbesondere eine sog.

Dreiwegearmatur, mittels welcher das Wasser in Abhängigkeit von einer momentanen Betriebsart des Brenners hinsichtlich des zugeführten Brennstoffs entweder der Gasvormisch-Leitung oder der Ölvormisch-Leitung zugeführt wird.

Auf diese Weise ist während des Betriebs der Gasturbine ge- währleistet, dass das Wasser in die"richtige"Vormisch- Leitung eingespeist wird, also in diejenige, welcher in einer momentanen Betriebsart kein Brennstoff zugeführt und daher zur Zuleitung des Wassers nutzbar ist. Ein Wechsel des Brenn- stoffs führt daher auch zu einem Wechsel des Zuspeisungsortes für das Wasser : Im Öl-Betrieb wird das Wasser der Gasvor- misch-Leitung, im Gas-Betrieb der Ölvormisch-Leitung über die Dreiwegearmatur zugeführt.

Die Erfindung führt weiterhin zu einem Brenner, insbesondere einer Gasturbine, bei welchem erste Mittel vorgesehen sind

zur Vermischung von Wasser und Verbrennungsluft zu einem Was- ser-Verbrennungsluft-Gemisch, wobei das Wasser zerstäubt wird und bei welchem weiterhin zweite, von den ersten Mitteln un- terschiedliche, Mittel vorgesehen sind zur Vermischung des Wasser-Verbrennungsluft-Gemisches mit einem Brennstoff zu ei- nem Wasser-Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch.

Vorteilhaft ist der Brenner ausgebildet als Hybridbrenner für einen Betrieb mit Gas und Öl als alternative Brennstoffe und der Brenner ist mit einer Gasvormisch-und einer Ölvormisch- Leitung verbunden.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Wasser in die Gasvormisch-Leitung eingespeist.

Dabei ist der Brenner mit Öl als Brennstoff betrieben und die in dieser Betriebsart nicht zur Brennstoffzufuhr genutzte Gasvormisch-Leitung ist genutzt zur Einspeisung des Wassers.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Wasser in die Ölvormisch-Leitung eingespeist.

Dabei ist der Brenner mit Gas als Brennstoff betrieben und die in dieser Betriebsart nicht zur Brennstoffzufuhr genutzte Ölvormisch-Leitung ist genutzt zur Einspeisung des Wassers.

Vorteilhaft ist das Wasser in Abhängigkeit von einer momenta- nen Betriebsart des Brenners hinsichtlich des zugeführten Brennstoffs mittels einer Armatur, bevorzugt einer Dreiwege- Armatur, in die Gasvormisch-Leitung oder in die Ölvormisch- Leitung eingespeist.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher dargestellt.

Es zeigt :

FIG einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Bren- ner Ein erfindungsgemäßer Brenner 1 ist ausgebildet als Hybrid- brenner zum alternativen Betrieb mit Öl und Gas als Brenn- stoffe. Er umfasst einen Gas-Vormischbrenner 5, einen Ölvor- misch-Brenner 7, sowie einen Öl-und Gas-Diffusions-& Pilot- brenner 10. Er umfasst weiterhin eine Brenner-Kopfplatte 12 sowie eine Wasser-/Dampfvormischeindüseinrichtung 14.

Der Brenner ragt mit der Spitze seines Öl-und Gas- Diffusions-& Pilotbrenner in einen Brennkammerraum 16. Er ist brennkammerraumseitig an einer Brennwand 18 im Bereich des Gas-Vormischbrenners, und gasturbinenaußenwandseitig an einer Gasturbinenaußenwand 19 mittels der Brenner-Kopfplatte gehaltert.

Zwischen der Brennkammerwand 18 und der Gasturbinenaußenwand 19 befindet sich ein Luftkanal 20, mittels welchem dem Bren- ner 1 Verbrennungsluft L zugeführt ist. Der Wasser-/Dampf- vormischeindüseinrichtung 14 ist Wasser W zugeführt.

Die Zuführung eines Brennstoffs zum Brenner 1 ist nicht näher dargestellt ; handelt es sich bei dem Brennstoff um Öl, so ist dieses dem Öl-Vormischbrenner 7 zugeführt ; wird Gas als Brennstoff benutzt, so ist dieses dem Gas-Vormischbrenner 5 zugeführt.

Beim Betrieb des Brenners 1 ist das Wasser W und/oder Wasser- dampf in die Wasser-/Dampfvormischeindüseinrichtung 14 einge- speist, von dieser mittels Düsen 15 zerstäubt und in den Luftkanal 20 eingeleitet.

Im Luftkanal 20 vermischt sich das Wasser W mit der Verbren- nungsluft L zu einem Wasser-Verbrennungsluft-Gemisch 24. Die- ses ist dann im Folgenden je nach aktuell zugeführter Brenn- stoffart dem Gasvormisch-Brenner 5 oder dem Ölvormisch- Brenner 7 zugeleitet, wo sich das Wasser-Verbrennungsluft-

Gemisch 24 mit dem jeweiligen Brennstoff zu einem Wasser- Verbrennungsluft-Brennstoff-Gemisch vermischt und dem Öl-und Gas-Diffusions-& Pilotbrenner 10 zur Verbrennung zugeführt wird.

Beim erfindungsgemäßen Brenner 1 findet die Bildung eines Verbrennungsgemisches daher in zwei Schritten statt. Im ers- ten Schritt ist das Wasser mit der Verbrennungsluft L zu ei- nem Wasser-Verbrennungsluft-Gemisch 24 und in einem zweiten Schritt ist das Wasser-Verbrennungsluft-Gemisch 24 mit dem Brennstoff zu einem Wasser-Verbrennungsluft-Brennstoff- Gemisch vermischt. Anschließend ist letzteres mittels des Öl- und Gas-Diffusions-& Pilotbrenners 10 zur Verbrennung ge- nutzt.

Diese Ausführungsform realisiert im Unterschied zu bekannten Brennern eine eigene Wasser-Vormisch-Düsenanordnung und ist mit einer Änderung in der Konzeption bekannter Brenner ver- bunden ; das Ergebnis stellt einen Dreistoff-Vormisch-Brenner dar für Gas, Öl und Wasser.

Die Anordnung der Wasser-/Dampf-Vormischeindüseinrichtung 14 unmittelbar vor dem Gas-Vormischbrenner 5, sozusagen am Eintrittsort der Verbrennungsluft L in den Brenner, ist eben- falls denkbar. Bei dieser Anordnung kommt es bei der Verbren- nung beider vorgesehenen Brennstoffe (Gas oder Öl) zu einer erfindungsgemäßen Durchmischung der drei Stoffe in zwei Schritten. Die Anordnung der Wasser-/Dampf-Vormischeindüs- einrichtung 14 vor dem Brenner ist ein Lösungsansatz zur Rea- lisierung eines erfindungsgemäßen Brenners 1, bei dem eine bekannte Brennerausgestaltung nur wenig abgeändert werden muss.

So können bekannte und erprobte Brenner als Ausgangspunkt für eine Ausgestaltung zu einem erfindungsgemäßen Brenner 1 he- rangezogen werden, indem beispielsweise die die Düsen 15 um- fassende Wasser-/Dampf-Vormischeindüseinrichtung 14 bei einem bekannten Brenner nachgerüstet wird.

Abgesehen von der durch die Erfindung erzielten Reduzierung von bei der Verbrennung entstehenden Stickoxiden wird auch eine Leistungserhöhung (Power Augmentation) der Turbine er- reicht, insbesondere dann, wenn eine Ausführungsform gemäß der Figur zum Einsatz kommt.

Ferner wird durch die Erfindung die Temperatur der Kühlluft abgesenkt, welche der Verbrennungsluft entnommen wird. Da- durch ist die Kühlung der Leitschaufeln der Turbine verbes- sert.