CH687780A5 - Verfahren zum Betrieb einer mit einem gasfoermigen Brennstoff befeuerten Brennkammer. - Google Patents

Description

1

CH 687 780 A5

2

Beschreibung

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Bei Brennkammern für Gasturbogruppen stellt die Zündung des Luft/Brennstoff-Gemisches stets eine heikle Operation dar, welche eine entscheidende Weichenstellung für den Ausstoss von Schadstoff-Emissionen sowie für den Wirkungsgrad der Anlage ergibt. Grundsätzlich wird eine solche Brennkammer mit einem Diffusionsbrenner oder mit einem Vor-mischbrenner betrieben. Je nach Art des zum Einsatz gelangenden Brennstoffes spielt die Temperatur der Verdichterluft stromauf der Brennkammer eine wichtige Rolle, denn je wärmer die Verdichterluft ausfällt, desto schneller und umfassender kann ein brennfähiges Gemisch zur Reaktion gebracht werden. Nun könnte man sich überlegen, anstelle der bekannten Brenner eine Selbstzündung anzustreben, d.h. die in die Brennkammer einströmende Verbrennungsluft mit einer genügend hohen Temperatur vorzudisponieren, soweit, dass es bei Eindüsung eines Brennstoffes zwangsläufig zu einer Selbstzündung kommen könnte, wie dies beispielsweise bei Dieselmotoren der Fall ist. Nun ist es aber so, dass bei heutigen fortgeschrittenen Gasturbinen mit Druckverhältnissen von bis zu 28 lediglich eine Verdichterluft-Temperatur von höchstens 500°C anfällt. Bei einer solchen Temperatur liesse sich eine Selbstzündung eines flüssigen Brennstoffes, beispielsweise Öl, an sich bewerkstelligen, wobei hier noch spezielle Vorkehrungen betreffend die Eindüsungstechnik des Brennstoffes getroffen werden müssten. Soweit liesse sich also eine Brennkammer realisieren, welche durch Zündung des Brennstoffes bereits durch die heisse Verbrennungsluft betrieben werden könnte. Wird demgegenüber ein gasförmiger Brennstoff, beispielsweise Erdgas, eingesetzt, so ist eine Selbstzündung bei obengenanntem Temperaturniveau nicht mehr möglich. Bei Erdgas ist es bekannt, dass eine Selbstzündung erst bei einer Temperatur um die 1000°C sicher erfolgt, d.h. der Kompressor, stromauf der Brennkammer, müsste, wollte man eine solche Temperatur bereitstellen, mit einem Druckverhältnis von über 100 verdichten. Aber selbst wenn bei Vollast der Anlage die durch Kompression bereitgestellte Lufttemperatur am Eintritt in die Brennkammer eine Selbstzündung auslösen kann, so erweist sich bei einem Teillastbetrieb der Anlage dieselbe Lufttemperatur sofort als unzureichend; im besten Fall könnte hier die Lufttemperatur höchstens 950°C erreichen, also sich in jenem kritischen Bereich bewegen, in welchem die Zündung schleppend vonstatten geht, also unweigerlich zu Zündverzügen oder gar Aussetzungen kommt, was nicht tolerierbar ist. Es müsste somit auf eine herkömmliche Diffusionsbrennerkonfiguration mit Flammenhaltern zurückgegriffen werden. Ein für Selbstzündung von Gas ausreichendes Druckverhältnis läuft indessen dem Bestreben nach einer optimalen thermodynamischen Auslegung des Gasturbinenprozesses sehr zuwider.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art Vorkehrungen zu treffen, welche eine sichere spontane Selbstzündung eines Verbrennungsluftstromes mit einem gasförmigen Brennstoff, bei einem Betrieb, in welchem die Temperatur des Verbrennungsluftstromes eine Selbstzündung von Gas nicht zulässt, sicherzustellen.

Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt in der Einfachheit und Zuverlässigkeit der Massnahme, nämlich, dass zur Sicherung der Selbstzündung des eingedüsten gasförmigen Brennstoffes bei tieferen Lufttemperaturen, unterhalb der kritischen Selbstzündtemperatur, diesem eine kleine Menge eines anderen Brennstoffes mit einer niedrigen Zündtemperatur beigegeben wird.

Diese Massnahme ermöglicht eine kurze Bauart der Brennkammer, vor allem auch deswegen, weil auch bei Teillast eine sofortige Selbstzündung stattfindet.

Vorteilhaft bei dieser Konfiguration ist des weiteren, dass dadurch der Ort der Verbrennung klar definiert und die Kühlung der Strukturen der Brennkammer optimiert werden können.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass, unabhängig eines Zustandekommens der Selbstzündung im Teillastbereich, anlässlich erster Versuche einer neuen Gasturbogruppe bei reduziertem Temperaturniveau eine Hilfe zur Selbstzündung bei niedriger Temperatur unerlässlich ist. Dadurch wird eine sichere Inbetriebsetzung ermöglicht.

Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufgabenlösung sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. In den verschiedenen Figuren sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt:

Fig. 1 eine Gasturbogruppe in schematischer Darstellung und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer ND-Brennkammer.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Anwendbarkeit

Fig. 1 zeigt eine Gasturbogruppe, deren verdich-

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

2

Claims (2)

3 CH 687 780 A5 4 tete Luft aus einem Druckluftspeicher 1, der ohne weiteres durch einen Verdichter ersetzt werden kann, stammt, einer dem Druckluftspeicher 1 nachgeschalteten ersten Brennkammer 2, im folgenden HD-Brennkammer genannt, einer stromab dieser Brennkammer wirkenden HD-Turbine 3, einer der HD-Turbine nachgeschalteten zweiten Brennkammer 4, im folgenden ND-Brennkammer genannt, und einer stromab dieser Brennkammer wirkenden ND-Turbine 5. Ein Generator 6 sorgt für die Stromerzeugung. Die in den Druckluftspeicher 1 oder in den nicht dargestellten Verdichter eingebrachte Luft 7 wird danach als Druckluft 8, resp. verdichtete Luft, in die HD-Brennkammer 2 geleitet. Diese Brennkammer 2 wird mit einem Brennstoff 9 befeuert, der an sich gasförmig und/oder flüssig sein kann, je nach Art des hierzu eingesetzten Brenners. Diese Brennkammer 2 wird normalerweise mit einem Diffusionsbrenner oder Vormischbrenner, wie er in EP-A1 0 321 809 beschrieben ist, wobei dieser Erfindungsgegenstand integrierender Bestandteil dieser Beschreibung ist, betrieben. Die Heissgase 10 aus der HD-Brennkammer 2 beaufschlagen zunächst die HD-Turbine 3. Dabei ist diese Turbine 3 so ausgelegt, dass deren Abgase 11 immer eine verhältnismässig hohe Temperatur aufweisen. Stromab dieser Turbine 3 befindet sich die ND-Brennkammer 4, welche im wesentlichen die Form eines ringförmigen Zylinders hat. Diese Brennkammer 4 weist keinen separaten Brenner auf: Die Verbrennung geschieht durch Selbstzündung des in die Heissgase 11 eingedüsten Brennstoffes 13. Ausgehend davon, dass es sich hier um einen gasförmigen Brennstoff, also beispielsweise Erdgas, handelt, müssen für eine Selbstzündung gewisse unabdingbare Voraussetzungen erfüllt werden: Zunächst ist davon auszugehen, dass eine Selbstzündung nach vorliegender Konstellation erst bei einer Temperatur um die 1000°C vonstatten geht. Demnach, um Selbstzündung eines Erdgases in der ND-Brennkammer 4 sicherzustellen, muss demzufolge die Austrittstemperatur aus der HD-Turbine 3 sehr hoch ausfallen, und zwar, wie oben bereits dargelegt, um die 1000°C, und dies auch bei Teillastbetrieb. Diese Forderung kann aber gewichtig eine optimale ther-modynamische Auslegung des Gasturbinenprozesses negativ tangieren. Selbstverständlich darf andererseits aus ebenfalls thermodynamischen Gründen das Druckverhältnis der HD-Turbine 3 nicht so weit angehoben werden, dass sich eine derart niedrige Austrittstemperatur von beispielsweise ca. 500°C ergibt, wie sie für einen sicheren Betrieb einer nachgeschalteten konventionellen Brennkammer vorteilhaft wäre. Um aus diesem Dilemma herauszukommen, d.h. um eine gesicherte Selbstzündung des in die ND-Brennkammer 4 eingedüsten gasförmigen Brennstoffes 13 zu gewährleisten, wird diesem Gas eine kleine Menge eines anderen Brennstoffes 12 mit einer niedrigeren Zündtemperatur beigegeben. Als Hilfsbrennstoff eignet sich hier beispielsweise Öl sehr gut. Dieser flüssige Hilfsbrennstoff 12, entsprechend eingedüst, fungiert sozusagen als Zündschnur, und ermöglicht auch dann eine Selbstzündung in der ND-Brennkammer 4, wenn die Abgase 11 aus der ND-Turbine 3 eine Temperatur aufweisen, die unterhalb jener optimalen Selbstzündtemperatur für Gas um die 1000°C liegt. Diese Vorkehrung, Öl als Hilfsbrennstoff für eine Selbstzündung beizugeben, erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn die Gasturbogruppe bei Teillast betrieben wird. Diese Massnahme, mit einem flüssigen Hilfsbrennstoff 12 zu operieren, ermöglicht immer eine kurze Bauart der ND-Brennkammer 4, vor allem auch deswegen, weil selbst bei Teillast eine sofortige Selbstzündung stattfindet. Diese Ausgangslage ermöglicht des weiteren den Ort der Verbrennung klar zu definieren, was sich auf eine optimierte Kühlung der Strukturen dieser Brennkammer 4 niederschlägt. Die Selbstzündung eines in die Abgase 11 der ND-Turbine 3 eingedüsten gasförmigen Brennstoffes 13 mittels Zuführung eines flüssigen Hilfsbrennstoffes 12 erweist sich auch anlässlich erster Versuche einer neuen Maschine als vorteilhaft, denn diese Fahrversuche finden naturgemäss bei einem reduzierten Temperaturniveau statt. Für diesen letztgenannten Fall ist eine Selbstzündung bei niedrigem Temperaturniveau sowieso unerlässlich. Analoge Verhältnisse, welche die Beigabe eines Hilfsbrennstoffs für eine Selbstzündung notwendig machen, können auch in der HD-Brennkammer 2 existieren. Fig. 2 zeigt schematisch den Durchflussquerschnitt der ND-Brennkammer 4, wobei als Variante eine weitere Eindüsungsmöglichkeit des flüssigen Hilfsbrennstoffes 12a vorgeschlagen wird. Dieser Eindüsungsort befindet sich stromab der Eindüsung des gasförmigen Brennstoffes 13, und zwar im Bereich der disponierten Flammzone 16 in der ND-Brennkammer. Diese Möglichkeit lässt sich mit Vorteil gegen eine Rückzündung der Flamme dort anwenden, wo die Flammenfront durch strömungstechnische oder körperliche Massnahmen mit einer Rückströmzone erweitert ist. Bezeichnungsliste

1 Druckluftspeicher

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (4) als Niederdruck-Brennkammer in eine ein- oder mehrwellige Gasturbogruppe integriert wird, dass diese Gasturbogruppe nach einer sequentiellen Befeuerung mit jeweils in Turbinen (3, 5) erfolgter Entspannung der in den vorangehenden Brennkammern (2, 4) aufbereiteten Heissgase (10, 14) betrieben wird.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

4

2 HD-Brennkammer

3 HD-Turbine

4 ND-Brennkammer

5 ND-Turbine

6 Generator

7 Luft

8 Druckluft

9 Brennstoff (Gas und/oder Öl)

10 Heissgase

11 Abgase

12 Hilfsbrennstoff (Öl)

12a Hilfsbrennstoff (Öl)

13 Brennstoff (Gas)

14 Heissgase

15 Abgase

16 Flamme, Flammenfront Patentansprüche

1. Verfahren zum Betrieb einer mit einem gasförmigen Brennstoff befeuerten Brennkammer, in welche eine Verbrennungsluft einströmt, deren Tempe-

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

5

CH 687 780 A5

ratur sich unterhalb derjenigen für eine Selbstzündung des Gemisches bewegt, dadurch gekennzeichnet, dass der gasförmige Brennstoff (13) und/ oder das Gemisch aus Verbrennungsluft (11) und gasförmigem Brennstoff (13) durch einen Brennstoff (12, 12a) tieferer Zündtemperatur angereichert wird.