Projekt-Cluster / 14.09.2010

Schadstoffärmere Verbrennung in Turbinen

Forschungsansatz

Brenner für teil-vorgemischte, Gasturbinen-spezifische Flammen ©DLR

Gas- und Dampfturbinenkraftwerk haben zusätzlichen Forschungsbedarf in den Bereichen fortschrittlicher Gasturbinentechnologien (Verdichter, Brennkammer, Turbine) und optimierter Anlagenintegration. Um höhere Wirkungsgrade zu erzielen, ist die Turbineneintrittstemperatur deutlich anzuheben. Dafür müssen neue Brennersysteme entwickelt werden, welche auch bei höherer Brennstoffflexibilität oder Abgasrückführung besonders niedrige Emissionen und erweiterte Stabilitätsgrenzen aufweisen. Geänderte Brennstoffspezifikationen, höhere Flammtemperaturen und Schadstoffminimierung müssen verbrennungstechnisch beherrscht werden. Zur Bereitstellung von Regelenergie ist außerdem eine optimale Verbrennung im Teillastbetrieb gefragt.

Forschungsziele

  • Erhöhung der Brennstoffflexibilität (Brennersysteme für ein großes Brennstoffspektrum: Erdgas / wasserstoffreiche Syngase / alternative Brennstoffe, reaktionskinetische Daten und Modelle)
  • Erweiterung der Stabilitätsgrenzen (Brummen, Zünd- und Löschverhalten, aktive und passive Dämpfung)

Perspektiven

Das übergeordnete Ziel ist, brennstoffflexible, schadstoffarme und zuverlässige Gasturbinenbrenner für ein breites Spektrum an gasförmigen und flüssigen kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen zu entwickeln. Neue, wegweisende Brennerkonzepte sollen beispielsweise unter Einsatz von graduell oder komplett entkarbonisiertem Brennstoff und Brennstoffgemischen unterschiedlicher Zusammensetzung hinsichtlich ihrer Flexibilität untersucht werden. Derart flexible Brennerkonzepte weisen ein sehr hohes Potenzial für eine CO2-reduzierte oder sogar CO2-freie Energieversorgung auf. Um den Wirkungsgrad des Kraftwerks anzuheben, sollen Gasturbinenbrenner so modifiziert werden, dass sie sich künftig bei noch höheren Turbineneintrittstemperaturen einsetzen lassen. Zu diesem Zweck müssen Brennerleistungsdaten, thermodynamische Daten, Auslegungsprinzipien und Betriebsparameter für ein neues Konzept erfasst und gebündelt werden, um sie für die Entwicklung der neuen Brennkammerkonzepte eng aufeinander abzustimmen.

Darüber hinaus müssen Verbrennungssysteme für Erdgas, das wesentliche Anteile an höheren Kohlenwasserstoffen enthält, entwickelt und für Temperaturen von bis zu 1700°C und hohe Drücke qualifiziert werden. Dazu sind innovative Design-Ansätze erforderlich, um sowohl die NOX-Emissionen als auch das Brennkammerbrummen, die bei höheren Temperaturen deutlich zunehmen, zu mindern.

 

Da die Wärmefreisetzung während des Verbrennungsprozesses nicht homogen ist, entstehen im Verbrennungsraum Druckänderungen. Bei bestimmten Frequenzen können sich diese Druckänderungen zu Pulsationen mit zerstörerischer Wirkung verstärken und die Anlage beschädigen. Dieses Themenfeld wird übergreifend als Thermoakustik bezeichnet. Die unerwünschten thermoakustisch induzierten Verbrennungsschwingungen erschweren insbesondere die Weiterentwicklung von Verbrennungssystemen, die mit höheren Drücken und Temperaturen arbeiten. Zudem schränken sie die Brennstoffflexibilität ein. Eine Verbesserung der thermoakustischen Auslegungsverfahren und Testmethoden ist daher entscheidend für CO2-arme und brennstoffflexible Gasturbinenbrennkammern.

Bekannt ist, dass vor allem magere und schadstoffarme Verbrennungssysteme zu Verbrennungsinstabilitäten neigen. Für derartige Systeme ist eine zuverlässige Kenntnis der thermoakustischen Stabilität erforderlich. Nur so lässt sich bei künftigen Hochleistungsgasturbinen eine hohe Flammenstabilität erreichen. Dies gilt vor allem für den Betrieb bei Teillast. Untersucht werden müssen unter anderem die thermoakustischen Stabilitätsgrenzen und Amplituden des Schalldrucks in Hochtemperatur-Verbrennungssystemen über einen großen Druckbereich.

Hintergrund

Die Vorgabe von Stickoxid-Grenzwerten (NOx) ist eine wichtige Randbedingung bei der Konzeption eines Gasturbinenverbrennungssystems. Die heutigen Grenzwerte liegen in Deutschland bei 25 ppm (15 % O2). In einigen anderen Ländern liegen sie sogar noch niedriger. Dies bedeutet, dass neben einer geringen Temperaturdifferenz zwischen Verbrennungstemperatur und Turbineneintrittstemperatur auch das Ziel einer geringen Verweilzeit erfüllt sein muss, um die Bildung von thermischem NOx zu unterbinden. Hierfür sind kompakte Verbrennungssysteme entwickelt worden, die sich durch einen geringen Kühlluftverbrauch auszeichnen. Die immer höheren Anforderungen führten in der Vergangenheit dazu, dass die Silobrennkammer durch das Ringbrennkammersystem abgelöst wurde und heute in fast allen großen Gasturbinen zu finden ist.

 

Eine weitere Steigerung der Turbineneintrittstemperaturen sowie Absenkung der NOx-Grenzwerte bedarf der Entwicklung neuer Brennerkonzepte und der Weiterentwicklung neuer Brennkammerkonzepte insbesondere auch unter der Randbedingung, thermoakustisch induzierte Brennkammerschwingungen zu vermeiden. Die hohen Verbrennungstemperaturen korrelieren mit der zunehmenden Bildung thermischer Stickoxide. Die Einhaltung der Stickoxidgrenzwerte stellen mittlerweile eine wichtige Randbedingung bei der Konzeption und Auslegung der Brennkammer dar. Seit vielen Jahren wird die katalytische Verbrennung als Alternative gegenüber konventionellen brennerspezifischen oder anderen Maßnahmen (z.B. Wassereindüsung) und Prozessen gesehen, da hierbei kaum Stickoxide entstehen.

12 aktuelle Forschungsvorhaben

Optimierung eines Gasturbinen-typischen Brenners bezüglich alternativen Brenngasen unter unterschiedlichen O2/CO2-Gehalten
Forschende Organisation: Helmut-Schmidt-Universität - Universität der Bundeswehr Hamburg - Fachbereich Maschinenbau - Professur für Energietechnik - Laboratorium für Strömungsmaschinen
Förderkennzeichen: 03ET2011B

 

Verbrennungsuntersuchungen für einen Gasturbinenprozess mit Abgasrezirkulation zur effizienten CO2-Abscheidung
Forschende Organisation: ALSTOM Power Systems GmbH
Förderkennzeichen: 0327810A

 

Interaktion zwischen Brennkammer und Turbine
Forschende Organisation: Technische Universität Darmstadt - Fachbereich Maschinenbau - FG Gasturbinen, Luft- und Raumfahrtantriebe
Förderkennzeichen: 0327725D

 

Aerodynamische Interaktion zwischen Brennkammer und Turbine
Forschende Organisation: Technische Universität Darmstadt - Fachbereich Maschinenbau - FG Gasturbinen, Luft- und Raumfahrtantriebe
Förderkennzeichen: 0327719F

 

Aerodynamische Interaktion zwischen Brennkammer und Turbine; CFD gestützte Simulation des Gesamtsystems Gasturbine (numerische Stömungsmechanik)
Forschende Organisation: Technische Universität Darmstadt - Fachbereich Maschinenbau - FG Energie- und Kraftwerkstechnik

Förderkennzeichen: 0327719G

 

Aerodynamische Interaktion zwischen Brennkammer und Turbine
Forschende Organisation: Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG
Förderkennzeichen: 0327718R


Beschreibung turbulenter Brennkammerströmungen bei magerer teilvorgemischter Verbrennung
Forschende Organisation: Helmut-Schmidt-Universität - Universität der Bundeswehr Hamburg - Fachbereich Maschinenbau - Professur für Energietechnik - Laboratorium für Strömungsmaschinen
Förderkennzeichen: 0327716L

 

Hochtemperaturbrenner mit reduzierten Emissionen
Forschende Organisation: Siemens Aktiengesellschaft - Power Generation - Abt. PE324
Förderkennzeichen: 0327716N

 

Vorhersage von Verbrennungslärm und thermoakustischen Instabilitäten mittels LES/CAA-Kopplung
Forschende Organisation: Technische Universität Darmstadt - Fachbereich Maschinenbau - FG Energie- und Kraftwerkstechnik
Förderkennzeichen: 0327725B

 

Integrierte passive Dämpfungssysteme zur Reduzierung thermoakustischer Instabilitäten in Gasturbinenbrennkammern
Forschende Organisation: Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG
Förderkennzeichen: 0327717K

 

Hochtemperaturverbrennungssystem für flexiblen Operationsbereich
Forschende Organisation: Siemens Aktiengesellschaft - Energy Sector - Abt. E F PR GT EN 412
Förderkennzeichen: 0327718N

 

Hochtemperaturverbrennungssystem für flexiblen Operationsbereich - HTV flex Op
Forschende Organisation: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) - Standort Stuttgart - Institut für Verbrennungstechnik (EN-VT)
Förderkennzeichen: 0327718O