Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln oder Steuern des Betriebsverhaltens einer Gasturbinenverbrennungsanlage mit mindestens einer Verbrennungskammer und mindestens einem in dieser installierten Brenner, bei dem eine Wasserdampf- und Brennstoffeinleitung in die Gasturbinenverbrennungsanlage über eine Kontrolleinheit geregelt oder gesteuert wird.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein System zum Regeln des Betriebsverhaltens einer Gasturbinenverbrennungsanlage mit mindestens einer Verbrennungskammer, mindestens einem in dieser installierten Brenner, der eingangsseitig mit einer Quelle komprimierter Luft verbunden ist, mit einer Kontrolleinheit, über die mindestens eine Einrichtung zum Eindüsen von Dampf und/oder Luft und/oder Treibstoff in die Gasturbinenverbrennungsanlage regelbar ist, und mit mindestens einer Sensoreinrichtung, von der Kenndaten des Betriebszustandes der Gasturbinenverbrennungsanlage erfassbar und der Kontrolleinheit zum Regeln der Eindüsung von Dampf und/oder Treibstoff in die Gasturbinenverbrennungsanlage zuführbar sind.

Die Erfindung betrifft ferner ein System zum Steuern des Betriebsverhaltens einer Gasturbinenverbrennungsanlage mit mindestens einer Verbrennungskammer, mindestens einem in dieser installierten Brenner, der eingangsseitig mit einer Quelle komprimierter Luft verbunden ist, mit mindestens einer Steuerventilvorrichtung, die mindestens ein Eindüsungsmittel für Dampf und/oder Treibstoff in die Gasturbinenverbrennungsanlage aufweist und die funktionsmäßig mit einer Kontrolleinheit gekoppelt ist, von der eine Wasserdampf und Treibstoffeinleitung in die Gasturbinenverbrennungsanlage steuerbar ist.

Stand der Technik

Gemäß der WO 2004/101 129 A2 wird beim Betrieb von Gasturbinenverbrennungsanlagen zum Reduzierung von NO _x - Emissionen und damit einer Senkung der Flammentemperatur über eine Ventilregelung Dampf oder Stickstoff in die erste Verbrennungszone der Brennkammer eingeleitet. Weiterhin geht aus der WO 2004/101 129 A2 ein Verfahren als bekannt hervor, bei dem zur Reduktion der NO _x -Emissionen von Gasturbinen zusätzliche Ströme komprimierter Luft durch Ventile geregelt in die Brennkammer eingeleitet werden, um die Flammentemperatur zu senken. Durch zusätzliches Zuführen von reinem Wasserstoff kann die Flamme bei der reduzierten Temperatur stabilisiert werden, um eine optimale Verbrennung des Treibstoffes zu ermöglichen.

Aus der US 5357741 Bl ist weiterhin ein Verfahren bekannt, bei dem zur Minimierung der CO-Emission einer Gasturbine bei Aufrechterhaltung eines konstanten NO _x -Levels die Injektion einer genau berechneten Menge Dampf in die Brennkammer der Gasturbine erfolgt. Die eingeleitete Dampfmenge wird entsprechend des Brermstoffzuflusses, der Temperatur der Zuluft, der relativen Feuchte, dem Heizwert des Brennstoffes und der Turbinenlast geregelt und an die entsprechenden Erfordernisse des Prozesses angepasst.

Aus der US 7047748 B2 ist zudem ein Injektionsverfahren zur Reduzierung der NO _x - Emissionen bei Gasturbinenverbrennungsanlagen bekannt, bei dem mittels einer oder mehrerer Düsen der Treibstoff in sehr feine Tropfen dispergiert wird, um eine schnelle und vollständige Verbrennung zu erreichen. Im Verfahrensablauf unmittelbar anschließend an die Treibstoffeinspritzung erfolgt dann mittels einer oder mehrerer Düsen die Injektion feinster Wassertropfen oder von Dampf in die Verbrennungskammer, wodurch die Gastemperatur gesenkt und die Bildung von NO _x minimiert wird.

Ferner ist aus der EP 099069 Bl ein Verbrennungssystem zur Reduktion von NO _x - Emissionen bekannt, bei dem eine Dampfauslassgruppe mit einer Vielzahl um eine Brennstoffleitung derart positionierter Dampfinjektionskanäle vorgesehen ist, dass der Dampf in entsprechend viele einzelne Dampfströme aufgeteilt wird und in die Brennstoffleitung hineinströmt.

Eine gängige Verbrennungstechnologie zeitgemäßer Gasturbinen, die mit Erdgas betrieben werden, ist die vorgemischte oder„Dry-Low-NO _x " (DLN) Verbrennungskammer, wobei Treibstoff mit Luftüberschuss vor Eintritt in die Verbrennungskammer zur Erzeugung einer mageren Mischung gemischt wird, die bei einer niedrigen Flammentemperatur brennt. Da die NO _x - Bildung in direkter Beziehung zur Flammentemperatur steht, muss diese zur Unterdrückung von NO _x -Emissionen gering gehalten werden.

Das Verfahren des Vormischens von Treibstoff und Luft vor dem Verbrennen ist gegenwärtig für Wasserstoff und wasserstoffreiche Treibstoffe nicht möglich, und zwar hauptsächlich wegen der hohen Reaktionsfähigkeit von Wasserstoff, die signifikant die Flammengeschwindigkeit erhöht und folglich zu einer Flammenausbreitung stromaufwärts in die Kernströmung des Brenners und somit zu einem Flammenrückschlag führen kann. Die hohe Reaktionsfähigkeit von Wasserstoff verringert zudem die Verzögerungszeit der Selbstzündung, so dass die Gefahr einer Zündung der Vormischung aus Treibstoff und Luft vor deren Einleitung in die Verbrennungskammer gegeben ist. Daher erfolgt bei herkömmlichen Brennern für wasserstoffreiche Treibstoffe keine Vormischung des Treibstoffes mit Luft, und es liegt eine Diffusionsflamme vor, in die der Treibstoff unmittelbar injiziert wird. Die Diffusionsflamme befindet sich an der Position stöchiometrischer Mischungszusammensetzung, an der diese bei sehr hoher Flammentemperatur brennt und ein hohes NO _x - Niveau erzeugt wird. Um die Flammentemperatur zu verringern, wird eine Verdünnung des Treibstoffes mit Stickstoff oder Dampf vorgenommen, wodurch jedoch der Gesamtwirkungsgrad der Verbrennungsanlage verringert wird. Dampf wird für gewöhnlich dem Dampfzyklus eines kombinierten Kreislaufes mit stromerzeugenden Anlagen entnommen und geht somit grundsätzlich dem Gesamtprozess verloren. Die verfahrensmäßige Auslegung herkömmlicher Brenner ist daher auf eine Minimierung der Menge injizierten Dampfes gerichtet.

In diesem Zusammenhang ist auch ein Verfahren zum Betrieb eines Vormischbrenners zu nennen, das aus der EP 1 215 382 AI bekannt ist. Gemäß dieser Druckschrift wird hierbei in Abhängigkeit von wenigstens einer aus wenigstens einer gemessenen Größe ermittelten Leitgröße eine Wassermenge in den Brenner und/oder in die Reaktionszone des Brenners eingebracht. Bei einer bevorzugten Variante dieses bekannten Verfahrens wird der Brenner trocken, das heißt ohne Wassereinspritzung zur Stickoxidminderung, betrieben. Dabei wird die eingebrachte Wassermenge, wenn möglich, kleiner als 20% der Brennstoffmenge, bevorzugt kleiner als 5% der Brennstoffmenge gehalten. Bei einer zweiten Variante dieses Verfahrens, bei der der Brenner „nass" betrieben wird, das heißt beim Betrieb mit Wassereinspritzung zur Stickoxidminderung, wird analog die eingebrachte Wassermenge immer möglichst kleiner als 20% der Brennstoffmenge gehalten, bevorzugt wird versucht die Brennstoffmenge auf weniger als 5% zu begrenzen. Darstellung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung hat eine Verbrennungstechnik für Gasturbinen mit Einspritzung von Wasser oder Dampf in die Gasturbinenverbrennungsanlage (humified gas turbines) zum Ziel, wobei eine optimale und stabile Verbrennung des Treibstoffes insbesondere bei sehr hohem Feuchtigkeitsgehalt mit geringen Emissionen gewährleistet werden soll. Hierbei soll insbesondere eine auf der Eindüsung großer Mengen von Wasserdampf basierende Möglichkeit einer effektiven Nutzung von Erdgas sowie wasserstoffreicher Brennstoffe aus biologischen Ressourcen oder der Kohlevergasung für die Gasturbinentechnik geschaffen werden, um Ressourcen zu schonen, Kosten der Energieproduktion zu reduzieren und Umweltschäden extrem zu minimieren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein System zum Regeln oder Steuern des Betriebsverhaltens einer Gasturbinenverbrennungsanlage der eingangs erwähnten Art zur Verfügung zu stellen, mit dem die genannte Zielstellung effektiv zu verwirklichen ist, wobei insbesondere eine flexible Anpassung des Betriebsverhaltens der Gasturbinenverbrennungsanlage an sich verändernde Treibstoffzusammensetzungen sowie die Verwendung verschiedenartiger Treibstoffe, eingeschlossen Naturgas, wasserstoffhaltige Treibstoffe, Treibstoffe aus der Vergasung von Kohle und Biomasse und reiner Wasserstoff bei geringen Emissionen und kostensparendem Auffangen von Kohlenstoff nach der Verbrennung erreicht werden soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Verbrennung des Treibstoffes bei einem Masseverhältnis von Wasserdampf und Luft von maximal 50% erfolgt, indem die Einleitung des Wasserdampfes in die Gasturbinenverbrennungsanlage zusammen mit Luft stromaufwärts des Brenners und/oder zusammen mit Treibstoff in den Brenner und/oder durch Injektion des Wasserdampfes unmittelbar in die Flamme oder in geringem Abstand zu der Flamme der Verbrennungskammer in diese und/oder durch Injektion des Wasserdampfes hinter der Flamme der Verbrennungskammer in diese erfolgt in Kombination mit der Einleitung des Treibstoffes in die Gasturbinenverbrennungsanlage durch Injektion des Treibstoffes stromaufwärts des Brenneraustritts in den Brenner und/oder durch Injektion einer Mischung von Treibstoff und Wasserdampf in den Brenner, die stromaufwärts des Ortes der Injektion erzeugt wird, stromaufwärts des Brenneraustritts und/oder in Form einer Mischung von Treibstoff und Wasserdampf stromaufwärts des Brenneraustritts, die nach jeweils separater, jedoch räumlich unmittelbar benachbarter Injektion von Treibstoff und Wasserdampf in den Brenner erzeugt wird, und/oder durch Injektion des Treibstoffes oder einer Mischung des Treibstoffes mit Luft unmittelbar in die Flamme des Brenners, wobei fortlaufend Kenndaten des Betriebszustandes der Verbrennungskammer sensorisch erfasst und zusammen mit Informationssignalen über die laufende Treibstoffzusammensetzung, Betriebsbedingungen, Emissionen und über den Massedurchsatz von Treibstoff, Luft und Wasserdampf der Kontrolleinheit eingegeben werden, die die Wasserdampf- und Treibstoffmasseströme in die Gasturbinenverbrennungsanlage entsprechend regelt.

Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß auch durch die Gesamtheit der Merkmale des Verfahrens nach Patentanspruch 2 sowie durch die Gesamtheit der Merkmale des Systems nach Patentanspruch 15 und nach Patentanspruch 16 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Regeln des Betriebsverhaltens einer Gasturbinenverbrennungsanlage ergeben sich aus den Patentansprüchen 3 bis 14 und vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Systems zum Regeln des Betriebsverhaltens einer Gasturbinenverbrennungsanlage sind in den Patentansprüchen 16 bis 23 beschrieben.

Vorzugsweise erfolgt die Verbrennung des Treibstoffes bei einem Masseverhältnis von Wasserdampf und Luft zwischen 20% und 50%.

Als Treibstoffe finden bevorzugt Naturgas (Erdgas), wasserstoffreiche Treibstoffe z.B. aus der Vergasung von Kohle oder Biomasse oder reiner Wasserstoff Verwendung, wobei die Biomasse insbesondere auf biogenen Brennstoffen der„zweiten Generation" basiert. Das sind Bioabfälle wie Stroh, Halme oder Holzspäne, die nicht extra für diesen Zweck angebaut werden, jedoch ist das bei deren Vergasung entstehende Brenngas sehr wasserstoffhaltig und konnte bislang noch nicht schadstoffarm verbrannt werden.

Der Wasserdampf kann gesättigt oder überhitzt in die Gasturbinenverbrennungsanlage eingeleitet werden. Treibstoffe mit geringerer Reaktionsfähigkeit und Flammengeschwindigkeit, wie z.B. Erdgas und Treibstoff mit geringem Wasserstoffgehalt werden geeigneterweise stromaufwärts des Brennerausgangs in die Gasturbinenverbrennungsanlage injiziert. Die Einspeisung eines derartigen Treibstoffs an dieser Position sorgt für seine geeignete Mischung mit Luft oder mit Luft und Dampf und damit für eine stabile Flamme und geringe Emissionen. Hingegen können Treibstoffe mit höherer Reaktionsfähigkeit und Flammengeschwindigkeit, die zu einem Flammenrückschlag oder Selbstzündung neigen, wie z.B. Treibstoffe mit hohem Wasserstoffgehalt oder reiner Wasserstoff dichter am Brennerausgang injiziert werden, um für eine kurze Verweilzeit eines derartigen Treibstoffes innerhalb des Brenners zu sorgen. Treibstoffe mit hohem Wasserstoffgehalt oder reiner Wasserstoff können auch mit Dampf vermischt und dann in den Brenner eingedüst werden, gegebenenfalls auch an der gleichen Position, an der unverdünntes Erdgas injiziert werden kann. Abhängig von der Dampfeindüsung kann es auch möglich sein, jedweden Treibstoff an ein und derselben Position der Gasverbrennungsanlage in diese zu injizieren.

Bevorzugt kann in die Luftströmung oder gemischte Luft/Dampfströmung bei Eintritt in den Brenner eine Wirbelbewegung induziert werden, worauf die in Wirbelbewegung versetzte Luftströmung oder gemischte Luft/Dampfströmung bei Austritt aus dem Brenner aufplatzt. Dieser sogenannte„Vortex Breakdown" erzeugt stromabwärts des Brennerausgangs eine innere Rezirkulationszone (IRZ), in der kontinuierlich heiße Reaktionsgase und unverbrannte Gase vermischt werden. Der„Vortex Breakdown" kann auch eine äußere Rezirkulationszone (ERZ) in der Verbrennungskammer erzeugen, die vor, nachfolgend oder parallel zur inneren Rezirkulationszone (IRZ) entstehen kann. Geeigneterweise kann Treibstoff zur Stabilisierung der Flamme des Brenners in die innere Rezirkulationszone (IRZ) oder in die Nähe der inneren Rezirkulationszone (IRZ) oder in die Scherschicht an deren Rand injiziert werden. Grundsätzlich erfolgt die Eindüsung von Treibstoff am Anfang der Flamme. Auch kann die Eindüsung von Wasserdampf stromaufwärts des Brenners zur Vermeidung eines Erlöschens der Flamme reduziert und die Eindüsung von Wasserdampf in die innere Rezirkulationszone (IRZ) des Brenners oder bevorzugt hinter die Flamme erhöht werden, wobei die NO _x - Bildung weiter verringert und hohe Feuchtigkeitsgrade der Gasturbinenverbrennungsanlage erreicht werden. Ferner kann der Treibstoff in die innere Rezirkulationszone (IRZ) der Verbrennungskammer oder in die Nähe der inneren Rezirkulationszone (IRZ) zur Beeinflussung der Verweilzeit der reaktiven Gase in der inneren Rezirkulationszone injiziert werden, wobei das akustische Verhalten der Flamme des Brenners zur Reduzierung von Druckpulsationen verändert wird. Das akustische Verhalten der Flamme kann zur Reduzierung der Druckpulsation auch durch Injektion von Dampf in die Flamme erfolgen, der von außen in die Verbrennungskammer eingedüst wird. Zur Erzeugung eines geeigneten Temperaturprofils am Ausgang der Gasturbinenverbrennungsanlage wird Wasserdampf in die Flamme oder hinter die Flamme injiziert, um das Strömungsfeld entsprechend zu beeinflussen. Es ist auch möglich, die stromaufwärts des Brenners injizierte Wasserdampfmenge und die in die innere Rezirkulationszone der Verbrennungszone eingedüste Wasserdampfmenge zu reduzieren und Wasserdampf hinter oder neben die Flamme der Verbrennungskammer zu injizieren, wobei hohe Feuchtigkeitsgrade in der Verbrennungskammer erzeugt werden und die NO _x - Bildung weiter verringert wird.

Bei Betrieb der Gasturbinenverbrennungsanlage mit kohlenstoffhaltigen Treibstoffen sorgt die reduzierte Flammentemperatur und der chemische Einfluss des Dampfes für die Möglichkeit, eine annähernd stöchiometrische Mischung von Luft und Treibstoff bei niedrigen NO _x -Emissionen verbrennen zu können. Wenn der Wasserdampf im Auslass der Gasturbinenverbrennungsanlage kondensiert wird, erreicht die Konzentration von C0 ₂ den höchst möglichen Wert für Luft durchströmte Gasturbinen, und zwar ungefähr 10% pro Volumen für Naturgas, wodurch eine kostengünstige Gewinnung von C0 ₂ nach der Verbrennung möglich wird.

Durch die Möglichkeit der Kombination verschiedener Methoden der Dampfeinleitung sowie verschiedener Varianten der Treibstoffinjektion des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Betrieb die Gasturbinenverbrennungsanlage in überraschender Weise bei einem Masseverhältnis von Wasserdampf und Luft von maximal 50%, vorzugsweise zwischen 20 % und 50% in sehr effektiver Weise möglich. Z.B. ergab sich für Erdgas bei einer Temperatur von 340°C am Brennereinlass ein Feuchtigkeitsgrad der Gasturbinenverbrennungsanlage von 30% bei einem stabilen Verbrennungsprozess. Durch die Eindüsung großer Mengen von Wasserdampf ergeben sich die Vorteile eines„nassen" Gasturbinenzyklus, wie erhöhte und schadstoffärmere Energieproduktion und verbesserte Kühlmöglichkeiten der einzelnen Kreisläufe. Die NO _x -Emissionen werden durch die Erzeugung erhöhter Feuchtigkeitsgrade überdimensional reduziert. Zudem ist davon auszugehen, dass ein Feuchtigkeitsgrad von 20% ausreicht, um zu bewirken, dass die NO _x -Emissionen im einstelligen ppm-Bereich bleiben. Hinzu kommt der überraschende Vorteil der Möglichkeit einer schadstoffarmen Verbrennung von besonders wasserstoffreichen Treibstoffen wie solchen aus der Vergasung von Kohle und Biomasse, speziell biogene Brennstoffe der„zweiten Generation" und von reinem Wasserstoff. Dass der Wirkungsgrad der Gasturbinenverbrennungsanlage durch ein derart beträchtliche Menge injizierten Dampfes signifikant zu erhöhen ist, war nach dem eingangs angeführten Stand der Technik nicht zu erwarten.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nun unter Bezug auf die einzige Figur der Zeichnung beschrieben, die in schematisierter Darstellung ein System zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Regeln des Betriebsverhaltens einer Gasturbinenanlage zeigt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Wie aus der einzigen Figur hervorgeht, weist die Gasturbinenverbrennungsanlage 1 einen Brenner 2 auf, der in einer Verbrennungskammer 3 installiert ist und einen sich innerhalb des Brenners 2 in dessen Längsrichtung erstreckenden axialzentrischen Brennerkörper 4 aufweist. Der Brenner 2 weist einen Wirbelgenerator 5 auf. In die in den Brenner 2 eingangsseitig einströmende Luft oder der gemischten Luft/Dampfströmung 6 wird eine Wirbelbewegung durch den Wirbelgenerator 5 induziert. Es ist auch möglich in dem axialzentrischen Brennerkörper 4 noch einen weiteren Wirbelgenerator vorzusehen. Stromabwärts des Brennerausgangs 7 expandiert die Strömung, was zu einem sogenannten „Vortex Breakdown" führt, durch den eine innere und eine äußere Rezirkulationszone in der Verbrennungskammer 3 erzeugt werden. Die innere Rezirkulationszone kann zur rein aerodynamischen Stabilisierung der Flamme verwendet werden.

Der Brenner 2 weist die Möglichkeit einer Einspeisung von Treibstoff, Dampf und/oder Mischungen von Treibstoff und Dampf und/oder Mischungen von Treibstoff und Luft in den Brennerinnenraum 8 an verschiedenen Positionen auf, wie aus der einzigen Figur zu ersehen ist, und zwar durch den Mantel des axialzentrischen Brennerkörpers 4 bei Position 9 stromaufwärts des Brennerausgangs 7, durch das Außengehäuse 10 der Brenners 2 bei Position 1 1 und durch die Mündung 12 des axialzentrischen Brennerkörpers 4 bei Position 13 direkt in die Flamme in der Verbrennungskammer 3. Abhängig vom Ort der Injektion, wird die Verbrennungskammer 3 in der Vormischweise oder der Diffusionsweise oder in einer Kombination beider gefahren, z.B., um die Vormischflamme durch Injektion eines Pilotbrennstoffes bei Position 13 in die Flamme oder in die Nähe der Flamme zu stabilisieren. Der Treibstoff kann auch in den Wirbelgenerator oder am Ende des Wirbelgenerators eingedüst werden. Auch kann das Treibstoff/Luft Gemisch an der Position 1 1 oder unverdünnter Treibstoff an der Position 9 eingedüst werden. Die Erfindung ist nicht auf die in der einzigen Figur dargestellten Ausführungsform des Brenners beschränkt.

Z.B. dienen die Positionen 9 und 1 1 zur Eindüsung von Treibstoff und/oder zur Eindüsung einer Mischung von Dampf und Treibstoff jeweils in den den axialzentrischen Brennerkörper 4 umgebenden Brennerinnenraum 8 und Position 13 zur Eindüsung allein von Treibstoff oder einer Mischung von Treibstoff und Luft direkt in die Flamme in der Verbrennungskammer 3. Die Position 9 und die Position 11 können relativ zur Ebene des Brennerausgangs 7 in Achsrichtung des axialzentrischen Brennerkörpers 4 versetzt sein, um die Form der Flamme zu beeinflussen. Die Eindüsung von Brennstoff muss nicht an der Position 13 stromabwärts erfolgen, sondern sie kann auch in seitlicher Richtung z. B. durch im axialzentrischen Brennerkörper 4 entsprechend positionierte Löcher oder Schlitze eingedüst werden.

So können Treibstoffe mit niedriger Reaktionsfähigkeit und geringer Flammengeschwindigkeit, z.B. Erdgas oder wasserstoffarme Treibstoffe, geeignet bei Position 9 und/oder Position 1 1 stromaufwärts des Brennerausgangs 7 mit Wasserdampf gemischt in den den axialzentrischen Brennerkörper 4 umgebenden Brennerinnenraum 8 injiziert werden. Eine derartige Einspeisung des Treibstoffes verhältnismäßig weit stromaufwärts des Brennerausgangs 7 an der Position 9 und/oder 1 1 gewährleistet eine geeignete Mischung mit Luft oder mit Luft und Wasserdampf und daher eine stabile Flamme und geringe Emissionen. Für Treibstoffe mit höherer Reaktionsfähigkeit und größerer Flammengeschwindigkeit, die zu einem Flammenrückschlag oder Selbstzündung neigen, z.B. wasserstoffreiche Treibstoffe oder reiner Wasserstoff können die Positionen 9 und 1 1 näher an den Brennerausgang 7 versetzt werden, um eine geringe Verweilzeit des Treibstoffs in dem den axialzentrischen Brennerkörper 4 umgebenden Brennerinnenraum 8 zu gewährleisten. Wasserstoff oder wasserstoffhaltige Brennstoffe können auch mit Dampf vermischt an der gleichen axialen Position bzw. auch durch die gleiche Düse wie das unverdünnte Erdgas eingedüst werden. An der Position 13 kann allein Treibstoff oder eine Mischung von Treibstoff und Luft durch die Mündung 12 des axialzentrischen Brennerkörpers 4 direkt in die Flamme der Verbrennungskammer 3 injiziert werden. So kann z.B. nur Treibstoff in die Verbrennungskammer 3 durch die Mündung 12 des axialzentrischen Brennerkörpers 4 injiziert werden, um eine lokal reiche, bei hohen Temperaturen brennende Mischung zur Stabilisierung der Vormischflamme zu erzeugen. Die Treibstoffinjektion an der Position 13 kann auch dazu verwendet werden, um die Position und die Form der Flamme zu verändern zwecks Veränderung des akustischen Verhaltens der Flamme, um Druckpulsationen zu verringern.

Das in Figur 1 schematische dargestellt System zum Regeln oder Steuern des Betriebsverhaltens der Gasturbinenverbrennungsanlage 1 weist weiterhin die Möglichkeit der Eindüsung von Dampf allein oder zusammen mit Luft oder in Mischung mit Treibstoff an verschiedenen Postionen auf. So kann Dampf stromaufwärts des Brenners 2 an der Position 14 in die komprimierte Luft injiziert werden, so dass für eine gute Mischung des Dampf/Luft-Gemisches mit Brennstoff im Brenner 2 gesorgt und somit auf die Emissionsbildung innerhalb der gesamten Verbrennungskammer 3 eingewirkt werden kann.

Der dem Brenner 2 eingangsseitig vorgeschaltete Wirbelgenerator 5 kann mit zueinander verdrehbaren Elementen ausgerüstet sein, durch die die Verteilung der Volumenströmungen durch die radialen und tangentialen Strömungsdurchlässe des Wirbelgenerators 5 zu verändern ist. Hierdurch kann die Intensität der Wirbelströmung (Wirbelzahl) variiert werden.

Luft und Dampf werden stromaufwärts des Brenners 2 bei Position 14 (Fig. 1) gemischt und strömen in den den Wirbelgenerator 5 aufweisenden Brenner 2. In das aus dem Wirbelgenerator 5 strömende Luft/Dampf-Gemisch kann Treibstoff durch eine Vielzahl Düsenöffnungen injiziert werden, die in einer Bodenplatte des Brenners 2 über deren Umfang im gleichen Abstand zu einander verteilt ausgebildet sein können. Der Treibstoff kann auch innerhalb des Wirbelgenerators 5 oder am Ende des Wirbelgenerators 5 injiziert werden. Z.B. kann der Wirbel generator 5 aus Schaufeln bestehen, durch die der Treibstoff in die Luft eingedüst werden kann. Die Wirbelströmung strömt durch den den axialzentrischen Brennerkörper 4 umgebenden Brennerinnenraum 8. Durch die Mündung 7 des axialzentrischen Brennerkörpers 4 kann zusätzlich ein Pilotbrennstoff zur Erzeugung einer lokal fetten Mischung injiziert werden, um die Flamme zu stabilisieren. Die durch den Brennerinnenraum 8, der den axialzentrischen Brennerkörper 4 umgibt, strömende Gasmischung kann, abhängig von den Betriebsbedingungen, mit einer axialen Geschwindigkeit im Bereich von 50 m/s bis 60 m/s am Brennerauslass 7 in die Verbrennungskammer 3 der beschriebenen Ausführungsform austreten. Es sind aber auch axiale Geschwindigkeiten der Gasmischung von z.B. 10 m/s oder axiale Geschwindigkeiten der Gasmischung von z.B. über 60 m/s mit anderen Ausführungsformen des Brenners am Brennerauslass möglich. Hierbei expandiert die Strömung stromabwärts infolge des Umfangsmomentes in der Verbrennungskammer 3, was durch den sogenannten Vortex- Breakdown zu der die Flamme stabilisierenden inneren Rezirkulationszone und der äußeren Rezirkulationszone in der Verbrennungskammer 3 führt.

Wie bereits oben erwähnt, kann Dampf an der Position 9 und/oder an der Position 1 1 mit Treibstoff vermischt aus dem axialzentrischen Brennerkörper 4 bzw. von außen durch das Gehäuse 15 des Brenners 2 in den axialzentrischen Brennerkörper 4 umgebenden Brennerinnraum 8 stromaufwärts des Brennerausgangs 7 injiziert werden, um z.B. die Reaktionsfähigkeit und die Flammengeschwindigkeit des Treibstoffes zur Vermeidung eines sogenannten„flashback" zu verringern. Die Erzeugung der Mischung von Treibstoff und Dampf kann stromaufwärts der Injektionsdüse erfolgen, durch die anschließend diese Mischung in den Brennerinnenraum 8 injiziert wird. Die Mischung von Treibstoff und Dampf kann auch innerhalb des Brenners 2 erfolgen, indem der Dampf und der Treibstoff separat, jedoch in dichtem räumlichen Abstand voneinander in den Brennerinnenraum 8 injiziert werden, z.B. mittels kombinierter Dampf/Treibstoff-Düsen oder mittels getrennter Düsen.

Weiterhin kann an der Position 16 möglichst überhitzter Dampf in dichtem Abstand zur Flamme oder unmittelbar in die Flamme der Verbrennungskammer 3 injiziert werden. Hierdurch ist ein stabiler Verbrennungsprozess bei hohen Temperaturen am Fuß der Flamme zu erreichen, worauf die Dampfinjektion die Temperatur verringert und damit auch die Bildung von NO _x . Z.B. kann die an der Position 14 injizierte Dampfmenge reduziert werden, um ein Erlöschen der Flamme zu verhindern, wobei durch eine weitere Eindüsung von Dampf an der Position 16 die NO _x - Bildung noch mehr reduziert und der Feuchtigkeitsgrad erheblich erhöht werden können. Die Dampfinjektion an der Position 16 kann auch dazu dienen, auf das Strömungsfeld dahingehend einzuwirken, dass für eine Verweilzeit des Gases innerhalb der Bereiche hoher Temperatur derart gesorgt wird, dass die NO _x -Bildung verringert oder das akustische Verhalten der Flamme zur Verminderung von Druckpulsationen verändert wird. An der Position 17 ist eine weitere Möglichkeit der Injektion von Dampf, möglichst von überhitztem Dampf hinter der Flamme in die Verbrennungskammer 3 gegeben. Der Dampf kann in diesen Hochtemperaturbereich der Verbrennungskammer 3 zur Reduzierung der NO _x -Bildung injiziert werden, während für eine Verweilzeit des Gases innerhalb des heißen Bereiches gesorgt wird, die lang genug ist für ein vollständiges Verbrennen von CO und UHC (unverbrannten Kohlenwasserstoffen). So kann z.B. die Dampfinjektion an den Positionen 14 oder 16 gedrosselt werden, um ein Erlöschen der Flamme zu verhindern, und Dampf verstärkt an der Position 17 injiziert werden, um die NO _x -Bildung weiter zu verringern und die hohen Feuchtigkeitsgrade zu erreichen. In ähnlicher Weise kann die Dampfinjektion an der Position 14 oder 16 variiert werden, um geringe Druckpulsationen zu erzielen, sowie verstärkt Dampf an der Position 17 injiziert werden, um die NO _x - Emissionen zu verringern und die hohen Feuchtigkeitsgrade zu erreichen. Der Dampf kann auch an der Position 17 injiziert werden, um ein geeignetes Temperaturprofil am Turbinenauslass zu erzeugen.

Wie die einzige Figur weiterhin zeigt, ist die Verbrennungskammer 3 mit mehreren, an verschiedenen Stellen positionierten Sensoren zum Erfassung von Druck (Position 18), OH- Strahlung der Flamme, CH-Strahlung der Flamme und Temperaturen des Werkstoffs der Wandung der Verbrennungskammer 3 (Position 19) ausgerüstet, wodurch Informationssignale über Druckpulsationen (Frequenzen und Amplituden), die Flammenposition und die Flammenstabilität zu erhalten sind. Es ist jedoch auch möglich, die Verbrennungskamme 3 nur mit einem Sensor zu bestücken und nur einen Messwert zur Regelung des Prozesses zu ermitteln. Das Steuern des Prozesses erfolgt hingegen ohne sensorische Ermittlung eines Messwertes. Es genügt z.B. eine Information über die Brennstoffzusammensetzung/Massenströme.

Die auf den Sensoren an den Positionen 18 und 19 basierenden Informationssignale wie auch eine jeweilige Information über Betriebsbedingungen (Position 20), Emissionen z.B. von NO _x , CO, un verbranntem Treibstoff (Position 21), über die laufende Treibstoffzusammensetzung (Position 22) sowie über die laufenden Masseströmungsdurchsätze von Treibstoff, Luft und Dampf (Position 23) und deren Temperaturen werden einer Kontrolleinheit 24 eingegeben, von der über jeweilige Regelventilvorrichtungen 25 mit jeweils mindestens einem Eindüsungsmittel die Dampf- und die Treibstoffmasseströme an den verschiedenen Positionen 9; 1 1 ; 13; 14; 16; 17 der Gasturbinenverbrennungsanlage 1 auf der Basis der Informationssignale und jeweiligen Informationen geregelt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Gasturbinenverbrennungsanlage 1 bei signifikant hohen Feuchtigkeitsgraden (sehr hohem Masseverhältnis von Wasserdampf und Luft) bei sehr geringen Emissionen betrieben werden, ohne dass die Flamme instabil wird oder erlischt. Zudem können wasserstoffreiche Treibstoffe und Wasserstoff ohne die Gefahr eines Flammenrückschlags oder einer Selbstzündung und bei niedrigen Emissionen verbrannt werden. Weiterhin können kohlenstoffhaltige Treibstoffe wie Erdgas bei Äquivalenzverhältnissen bis zu stöchiometrischen Bedingungen bei geringen NO _x , CO- und UHC-Emissionen verbrannt werden. Durch Regelung der Dampf- und der Treibstoffinjektion kann die KontroUeinheit 24 sich auch an Treibstoffe mit sich zeitlich verändernder Zusammensetzung anpassen.

Liste der Bezugszeichen:

1 Gasturbinenverbrennungsanlage

2 Brenner

3 Verbrennungskammer

4 axialzentrischer Brennerkörper

5 Wirbelgenerator

6 Luft oder gemischte Luft/Dampfströmung

7 Brennerausgang

8 Brennerinnenraum

9 Position zur Eindüsung von Treibstoff und/oder Dampf durch den Mantel des axialzentrischen Brennerkörpers in den Brennerinnenraum

10 Außengehäuse des Brenners

1 1 Position zur Eindüsung von Treibstoff und/oder Dampf durch das Außengehäuse des Brenners in den Brennerinnenraum

12 Mündung des axialzentrischen Brennerkörpers

13 Position zur Eindüsung von Treibstoff oder Treibstoff/Luft-Gemisch direkt in die Flamme

14 Position zur Eindüsung von Luft und Dampf oder Luft/Dampf-Gemisch stromaufwärts des Brenners

15 Gehäuse der Verbrennungskammer

16 Position zur Eindüsung von Dampf in dichten Abstand zur Flamme oder direkt in die Flamme in die Verbrennungskammer

17 Position zur Eindüsung von Dampf hinter der Flamme in die Verbrennungskammer

18 Sensoreinrichtung zur Erfassung von Druck

19 Sensoreinrichtung zur Erfassung der OH-Strahlung der Flamme, der CH-Strahlung der Flamme und der Temperatur des Werkstoffes des Wandung der Verbrennungskammer 20 Sensoreinrichtung zur Erfassung der laufenden Betriebsbedingungen

21 Sensoreinrichtung zur Erfassung von Emissionen am Ausgang der Verbrennungskammer

22 Sensoreinrichtung zur Erfassung der laufenden Treibstoffzusammensetzung

23 Sensoreinrichtung zur Erfassung der laufenden Masseströmungsdurchsätze von Treibstoff, Luft und Dampf

24 Kontrolleinheit

25 Regelventilvorrichtung/Steuerventilvorrichtung