Experimentelle Untersuchungen und Analyse zum Einfluss der Brennstoffzusammensetzung auf das Zündverhalten von gasturbinen-typischen Vormischbrennern

Abstract

In stationären Gasturbinen ist wegen der strengen Emissionsvorgaben insbesondere der Stickoxide die magere Vormischverbrennung weit verbreitet. Die gute Vermischung von Brennstoff und Luft vor der Verbrennung reduziert lokale Flammentemperaturen und damit die Bildung von Stickoxiden. Gleichzeitig ist dieses System jedoch anfällig für Flammenrückschläge und Selbstzündung. Beide Prozesse können zu Schäden oder gar der Zerstörung der Brenner führen.Ziel der vorgestellten Arbeit ist es, den Selbstzündprozess besser zu verstehen und einen Beitrag zur Vorhersage von Selbstzündungen zu leisten. Der Einfluss der Gaszusammensetzung auf den Zündprozess ist dabei von zentraler Bedeutung. In der vorliegenden Arbeit wurde der Selbstzündprozess in Hochdruckexperimenten unter gasturbinen-relevanten Bedingungen untersucht. Für die Messungen wurde ein generischer Brenner mit seitlicher Eindüsung des Brennstoffes von etwa 450 K und in variierter Zusammensetzung eingesetzt. Die Vormischzone des Brenners war optisch zugänglich. Die Selbstzündung wurde durch Erhöhung der Vorwärmtemperaturen hervorgerufen und durch eine Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet. Mit dieser Methode wurden Selbstzündungen für Drücke zwischen 5 und 30 bar sowie Vorwärmtemperaturen der Luft zwischen 800 und 1150 K erfasst. Der Einfluss der Gaszusammensetzung wurde durch die Zugabe von bis zu 25 Volumenprozenten Propan zu Erdgas vom Typ H untersucht. Über eine detaillierte Analyse der beteiligten chemischen Reaktionen, insbesondere für die längerkettigen Kohlenwasserstoffe, konnten die wichtigsten Spezies und Reaktionspfade der Oxidation längerkettiger Kohlenwasserstoffe identifiziert werden. Basierend auf den durchgeführten Experimenten und der begleitenden Studie des Reaktionsverlaufes wird eine Methode vorgestellt, die es erlaubt, den Einfluss der Turbulenz auf die Selbstzündung zu beschreiben. Da hierzu eine möglichst exakte Beschreibung der Vermischung innerhalb der turbulenten Strömung notwendig ist, wurde die Mischströmung aus Brennstoff und Luft mithilfe von Laserinduzierter Fluoreszenz (LIF) vermessen. Die Ergebnisse dieser Messungen erlaubten eine Validierung der numerischen Simulation der Mischströmung und die Ermittlung des meist geeigneten Modells im Hinblick auf die Rechendauer und die Übereinstimmung von Experiment und Simulation. Im Experiment sank die Luftvorwärmtemperatur, bei der erstmalig Zündungen im Mischkanal auftreten, mit zunehmendem Druck, erhöhte sich die Luftvorwärmtemperatur mit zunehmender mittlerer Strömungsgeschwindigkeit im Kanal und sank mit zunehmendem Äquivalenzverhältnis. Fügte man bei gleichem Äquivalenzverhältnis Propan zum Erdgas hinzu, so sank die für die Zündung notwendige Vorwärmtemperatur der Luft. Diese Abhängigkeit der Selbstzündung von Druck, Temperatur und Zusammensetzung bestätigt die Vorhersagen des betrachteten Reaktionsmechanismus in Hinblick auf die Zündverzugszeiten homogener Gemische. Im turbulent durchströmten Mischkanal sind die chemischen Reaktionen vom Mischungsprozess überlagert. Diese Wechselwirkung bestimmt neben dem Mischungsgrad die Temperatur und Zusammensetzung orts- und zeitabhängig im Mischkanal. Aus der Berechnung der Zündverzugszeiten für verschiedene Kombinationen von Gaszusammensetzung und Temperatur im Mischkanal lässt sich ein schnellstzündendes Gemisch aus Brennstoff und Luft in Abhängigkeit der Eintrittsbedingungen der beiden Teilströme ableiten. Das schnellstzündende Gemisch wird von den Eintrittsbedingungen von Luft und Brennstoff, insbesondere deren Eintrittstemperatur bestimmt. Die längerkettigen Kohlenwasserstoffe mit ihren besonderen Charakteristika in der Niedertemperaturoxidation, die als "cool flames" und "negative temperature coefficient (NTC)" bezeichnet werden, zeigen große Variationen in der Zusammensetzung der schnellstzündenden Mischung aus Brennstoff und Luft. Die Anwendung des vorgestellten Reaktionsmechanismus demonstriert, dass insbesondere die Wahl der Eintrittstemperaturen im Verhältnis zum Temperaturbereich des NTC-Verhaltens bestimmen, ob ein fettes oder mageres Brennstoff-Luft-Gemisch schneller zündet. Hieran wird der Hauptunterschied der Zündeigenschaften von Methan und längerkettigen Kohlenwasserstoffen deutlich. Diese Unterschiede führen bei längerkettigen Kohlenwasserstoffen im Niedertemperaturbereich, der typischerweise unterhalb von 900 K liegt, zu sehr viel kürzeren Zündverzugszeiten. Sowohl experimentell als auch numerisch konnte der Einfluss der längerkettigen Kohlenwasserstoffe auf die Selbstzündung belegt werden. Die Selbstzündung trat dabei im typischen Vorwärmtemperatur- und Druckbereich von Gasturbinenbrennern bei deutlich geringeren Temperaturen auf als dies durch einige der etablierten Reaktionsmechanismen vorhergesagt wurde. Innerhalb der hier vorgestellten Untersuchungen konnte ein Reaktionsmechanismus identifiziert werden, der angemessen die experimentell ermittelten Zusammenhänge zur Selbstzündung beschreibt.

In stationary gas turbines lean premixed combustion is widely used in order to meet the stringent demands for low emissions of NOx. The premixing is arranged by mixing the fuel gas with preheated pressurised air before entering the combustion chamber. This reduces local flame temperatures and hence the production of NOx. However, the system becomes susceptible to flashback and autoignition which can damage or even destroy the burner. The intention of the presented work is to improve the understanding of the autoignition process and to contribute to predicting autoignition. The influence of different fuel gas compositions is one of the important objectives in the prediction of autoignition. In this work the autoignition process was studied in high pressure experiments under gas turbine relevant conditions. For the measurements a generic burner was designed and run on a high pressure combustion test rig. In a flow of preheated pressurised air inside this burner, fuel gas of approx. 450 K and different composition was injected laterally. The mixing zone was optically accessible. Autoignition was induced by increasing the air preheat temperature. A high speed camera recorded the autoignition until the flame was blown out of the mixing zone by shutting down the fuel supply. In this set-up autoignitions were observed for pressures between 5 and 30 bar and air preheat temperatures between 800 and 1150 K. The aspect of different gas compositions was accounted for by studying autoignition for natural gas of type H with propane up to 25%-vol. added. The experimental work on autoignition was accompanied by a detailed analysis of the chemical reactions involved in the ignition process especially those concerning higher hydrocarbons. The most important reactions and species in the oxidation of higher hydrocarbons could be identified. A mechanism with best agreement of dependencies on the ignition delay time similar to experimental findings was identified. On the basis of the presented experiments and the best evaluated chemical mechanism describing the ignition process, a method is presented to describe the impact of turbulence on ignition and was applied to the experimental conditions of this work. Because of the importance of an accurate description of mixing inside the turbulent flow, the mixing of fuel and air was measured by applying laser induced fluorescence (LIF). These results allowed validating the numerical simulation of the mixing flow. A most adequate turbulence model with acceptable effort of computational time could be identified and used for the calculation of the turbulent flow. The air preheat temperature, at which autoignition first occurred in the mixing duct, decreased with increasing pressure, increased for increasing mean flow velocities in the duct and decreased for increasing equivalence ratios referring to richer mixtures of fuel and air. Adding propane to the natural gas at a constant total equivalence ratio reduced the air temperature necessary for autoignition. These findings reflect the influence of pressure, temperature and composition on the ignition delay time predicted by the reaction mechanism for homogeneous mixtures. Inside the mixing duct of this generic burner the chemical processes leading to ignition interact with the mixing process. The temperature and the composition of the mixture are linked and determined by the degree of mixing. A calculation of the ignition delay times for different mixtures and temperatures inside the duct for some sets of experimental conditions revealed that the fastest igniting mixture was not always linked to one characteristic composition. The composition of the fastest igniting mixture, often referred to as the most reactive mixture, depended on the inlet conditions of fuel and air, mainly their temperature. Especially higher hydrocarbons with characteristic low temperature chemistry leading to "cool flames" and "negative temperature coefficients (NTC)" demonstrated strong variations in the most reactive mixture. The calculations using detailed chemistry revealed, that the choice of the starting temperature of fuel and air with respect to the characteristic NTC-region was determining whether a rich or a lean mixture ignites earlier. Differences between higher hydrocarbons and methane could be explained in this way. These findings are reflected in the experimental results where the addition of propane to the fuel gas yielded a strong reduction of the ignition delay time, especially in the low temperature range. The presented work revealed the strong impact of higher hydrocarbons on autoignition. In the presented experimental set-up, which was typical of premixed combustion in gas turbine burners, autoignition occurred at much lower temperatures than predicted by several common reaction mechanisms. However, a reaction mechanism could be identified that predicts adequately the experimental findings on autoignition.