Betriebsverhalten eines Brennstoffördersystems für direkt-holzstaubgefeuerte Gasturbinen

Abstract

Die Brennkammer einer direkt-holzstaubgefeuerten Gasturbine stellt spezielle Anforderungen an das Fördersystem. Das Brennstofffördersystem muss den Brennstoffmassenstrom mit möglichst geringen Schwankungen der unter erhöhtem Betriebsdruck stehenden Brennkammer zuführen. In einer Druckbehälterschleuse wird der Brennstoff auf das Druckniveau der Brennkammer gebracht. Eine Förderschnecke und eine Schwingrinne dosieren den Brennstoffmassenstrom mit der geforderten Gleichmäßigkeit. Der Brennstoff wird durch einen Injektor und eine Förderleitung mit einem speziellen Aufsatz in die Brennkammer eingeblasen. In dieser Arbeit wird das Betriebsverhalten eines Brennstofffördersystems unter Berücksichtigung der Förderguteigenschaften des Holzstaubes untersucht. In den Förderversuchen werden vier unterschiedliche Holzsorten eingesetzt. Die Förderschnecke dosiert den Brennstoffmassenstrom bei höherer Drehzahl mit höherer Gleichmäßigkeit. Der Variationskoeffizient des Brennstoffmassenstromes ist näherungsweise verkehrt proportional zur Drehzahl und ist ab einer Drehzahl von etwa 50U/min kleiner als 10 %. Zur Förderung von Holzsorten mit schlechten Fließeigenschaften wird der Füllungsgrad der Förderschnecke auf 42 % abgesenkt. Der Variationskoeffizient des Brennstoffmassenstromes ist für Holzsorten mit schlechteren Fließeigenschaften größer, ist aber unabhängig vom Füllungsgrad der Förderschnecke. Der Ausgleich unterschiedlicher Feststoffverteilungen bei der Förderung auf dem Schwingrinnentrog führt zu einer Vergleichmäßigung des von der Förderschnecke abgegebenen Brennstoffmassenstromes und damit zur Dämpfung der bei der Dosierung durch die Förderschnecke entstandenen Massenstromschwankungen. Die Dämpfung der Massenstromschwankungen ist definiert als das Verhältnis des Variationskoeffizienten des der Schwingrinne aufgegebenen Massenstromes zum Variationskoeffizienten des von der Schwingrinne abgegebenen Massenstromes. Die Dämpfung ist abhängig von den Fließeigenschaften der Holzsorte und der Verweilzeit und Schütthöhe des Feststoffes auf dem Schwingrinnentrog. Für die Dämpfung werden Werte bis zu 4,4 gemessen. Die maximale Dämpfung wird durch das Erreichen der optimalen Schütthöhe auf dem Schwingrinnentrog bestimmt. Unter Verwendung der für die untersuchten Holzsorten experimentell bestimmten optimalen Schütthöhe ist die Berechnung der optimalen Schwingrinnenamplitude in Abhängigkeit des Massenstromes möglich. Die Förderluft, mit der der Brennstoff vom Injektor in die Brennkammer gefördert wird, setzt sich aus Primär- und Sekundärluft zusammen. Der Sekundärluftanteil ist als das Verhältnis des Sekundärluftmassenstromes zum Förderluftmassenstrom definiert. Die Primärluft beschleunigt in Form eines Hochdruck-Treibstrahles den mit der Sekundärluft durch den Trichter in die Mischkammer des Injektors eintretenden Brennstoff in die Förderleitung. Die Beladung ist das Verhältnis des Brennstoffmassenstromes zum Förderluftmassenstrom. Bei Betrieb ohne Sekundärluft ist der vom Primärluftmassenstrom maximal aufgenommene Brennstoffmassenstrom näherungsweise proportional der Mantelfläche des Treibstrahlkegels in der Mischkammer des Injektors. Die maximale Beladung liegt bei einem Brennkammerdruck von etwa 1bar abhängig von der Holzsorte zwischen 0,7 und 3,0. Bei höherem Sekundärluftanteil kann ein größerer Brennstoffmassenstrom gefördert werden. Bei einem Sekundärluftanteil von 100 %, d.h. Förderung ohne Hochdruck-Treibstrahl, liegt die maximale Beladung bei einem Brennkammerdruck von etwa 1bar abhängig von der Holzsorte zwischen 5,9 und 13,1. Die maximale Beladung ist etwa verkehrt proportional zum Brennkammerdruck. Der Injektordruckaufbau wird in Abhängigkeit der Geometrie und der Betriebseinstellungen des Injektors gemessen und in Form der Druckaufbauziffer dimensionslos dargestellt. Das Flächenverhältnis vom Treibdüsenaustrittsquerschnitt zum Mischrohrquerschnitt, der Sekundärluftanteil und die Beladung haben entscheidenden Einfluss auf den Injektordruckaufbau. Die Änderung der Druckaufbauziffer mit der Beladung ist näherungsweise proportional zum Flächenverhältnis und näherungsweise unabhängig vom Sekundärluftanteil. Die Proportionalitätskonstante ist negativ. Bei kleinerem Flächenverhältnis, größerem Sekundärluftanteil und höherer Beladung ist die Druckaufbauziffer geringer und der Druck im Sendebehälter höher. Bei einem Sekundärluftanteil von 100 % und einem Brennkammerdruck von 2bar beträgt der Leistungsbedarf etwa 36 % des Wertes bei Betrieb mit einem Sekundärluftanteil von 0 %. Der unter Beachtung der Anforderungen optimale Betrieb des Injektors erfolgt mit einem Sekundärluftanteil von 100 %.

A directly wood particle fired gas turbine requires a special fuel feeding system. A uniform fuel mass flow has to be fed at a steady rate with as low a conveying air mass flow rate as possible and minimal internal power consumption against the operating pressure of the combustion chamber. The fuel is pressurized in a sending bin. A screw feeder meters the fuel mass flow. From the screw, the fuel drops onto the vibration conveyor which attenuates the fuel fluctuations produced by the screw. The fuel is blown into the combustion chamber by an injector and a conveying pipe with a special attachment at its end in the combustion chamber. In this thesis the performance and performance limitations of a fuel feeding system are investigated under consideration of the properties of the wood powder used. Feeding tests were done with four different wood powders. At higher rotational speed of the screw the fuel mass flow rate is more uniform. The coefficient of variation of the mass flow rate is approximately inversely proportional to the rotational speed of the screw and less than 10 % for a screw speed higher than 50rpm. The filling factor of the screw was reduced to 42 %. The coefficient of variation of the flow rate is independent of the filling factor, but depends upon the flow characteristics of the wood powder. The attenuation of mass flow fluctuations by the vibration conveyor is defined by the ratio of the coefficient of variation of the mass flow rate metered by the screw to the coefficient of variation of the mass flow rate after the vibration conveyor. An attenuation up to 4.4 was measured in feeding tests. The attenuation is caused by the irregular particle movement on the vibrator trough and depends upon the mean residence time of the particles on the trough, the solids layer height and the flow characteristics of the wood powder. A too high solids layer restrains the irregular movement of the particles: The continuous solids flow at vibrator discharge is disturbed by discontinuous crumbling. This effects an increasing coefficient of variation after the vibration conveyor and a decreasing attenuation. The conveying air consists of primary and secondary air. The secondary air fraction is defined by the ratio of the secondary air mass flow rate to the conveying air mass flow rate. The secondary air supports the fuel flow in the funnel of the injector. In the mixing chamber of the injector the fuel is entrained into the conveying pipe by the primary air (driving jet). The loading is defined by the ratio of the fuel mass flow rate to the conveying air mass flow rate. With a secondary air fraction of 0% the maximum fuel mass flow rate is approximately proportional to the surface area of the driving jet in the mixing chamber of the injector. At a combustion chamber pressure of approximately 1bar maximum loading is in the range of 0.7 to 3.0 depending on the wood powder used. With a higher secondary air fraction the maximum fuel mass flow rate is higher. With a secondary air fraction of 100 % maximum loading at a combustion chamber pressure of approximately 1bar is in the range of 5.9 to 13.1 depending on the wood powder used. Maximum loading is approximately inversely proportional to the combustion chamber pressure. The cross section area ratio is defined by the ratio of the cross section area of the nozzle exit to the cross section area of the mixing chamber. Injector pressure gain depends upon the cross section area ratio, the secondary air fraction and loading. The change of the injector pressure gain due to a change of the loading is approximately proportional to the cross section area ratio and approximately independent of the secondary air fraction. With a lower cross section area ratio, a higher secondary air fraction and a higher loading the injector pressure gain is lower and the pressure in the sending bin is higher. At a combustion chamber pressure of 2bar the power consumption operating with a secondary air fraction of 100 % is approximately 36 % of the power consumption operating with a secondary air fraction of 0 %. Considering the requirements of the feeding system the injector should be operated with a secondary air fraction of 100 %.