DE10231879B4

DE10231879B4 - Verfahren zur Beeinflussung und Kontrolle der Oxidschicht auf thermisch belasteten metallischen Bauteilen von CO2/H2O-Gasturbinenanlagen

Info

Publication number: DE10231879B4
Application number: DE10231879.4A
Authority: DE
Inventors: Dr. Balbach Werner M.; Dr. Griffin Timothy; Dr. Hoebel Matthias; Prof. Dr. Span Roland
Original assignee: General Electric Technology GmbH
Current assignee: Ansaldo Energia IP UK Ltd
Priority date: 2002-07-12
Filing date: 2002-07-12
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2022-07-13
Also published as: WO2004007927A3; NO20045676D0; NO20045676L; NO336440B1; AU2003274391A8; WO2004007927A2; DE10231879A1; AU2003274391A1

Abstract

Verfahren zur Beeinflussung und Kontrolle der Oxidschicht auf thermisch belasteten metallischen Bauteilen von CO2/H2O-Gasturbinenanlagen; wobei ein kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff mit Sauerstoff verbrannt wird und das dabei entstehende überschüssige CO2 und H2O dem Kreislaufsystem an geeigneter Stelle entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schutz der Oxidschicht der thermisch belasteten Bauteile mit einem Sauerstoffüberschuss gefahren wird, dessen Höhe vom jeweiligen Zustand der Oxidschicht abhängig ist, und wobei der Zustand der Oxidschicht durch periodische und/oder kontinuierliche Messungen ermittelt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung und Kontrolle der Oxidschicht auf thermisch belasteten metallischen Bauteilen von CO2/H2O-Gasturbinenanlagen.
Stand der Technik
Bekannt sind CO₂/H₂O-Gasturbinenanlagen mit einem größtenteils geschlossenen CO₂-Gasturbinenkreislauf. Eine derartige Gasturbinenanlage besteht aus mindestens einem Verdichter, mindestens einer Brennkammer, mindestens einer Turbine, mindestens einer Wärmesenke und einem Wasserabscheider. In der Brennkammer reagiert der Brennstoff (Kohlenwasserstoff, z. B. Erdgas mit Methan CH4 als Hauptkomponente) mit dem Sauerstoff der aus O₂, CO₂ und gegebenenfalls H₂O aufbereiteten Atmosphäre.
Die durch die Verbrennung entstehenden Komponenten CO2 und H2O, sowie die gegebenenfalls mit dem Sauerstoff oder dem Erdgas eingebrachte Inertgase werden laufend entfernt, so dass ein Kreislauf mit weitgehend konstanter Zusammensetzung des Arbeitsmittels aufrecht erhalten bleibt.
Ein derartiges Verfahren zur Beeinflussung von CO₂/H₂O-Gasturbinenanlagen ist aus dem Dokument EP 0 939 199 A1 bekannt, bei dem ein kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff mit Sauerstoff verbrannt wird und das dabei entstehende überschüssige CO₂ und H₂O dem Kreislaufsystem an einer geeigneten Stelle entnommen wird.
Im Gegensatz zu konventionellen Gasturbinenanlagen, bei denen die Abgase stets noch einen hohen Anteil an O₂ enthalten, kann das vorwiegend aus CO2 und H2O bestehende Arbeitsmedium in einem solchen Kreisprozess reduzierende Eigenschaften haben. Dadurch kann es nachteilig bei den hohen Temperaturen, die üblicherweise in der Brennkammer und in der Turbine herrschen, zu einem Abtrag der schützenden Oxidschicht auf den Metalloberflächen der thermisch belasteten Bauteile kommen. Diese Bauteile korrodieren dann schnell und können zu einem ungewollten frühzeitigen Ausfall führen.
Dem Fachmann ist aus dem Dokument US 3 696 678 A ein Verfahren bekannt, bei dem der Zustand von Turbinenschaufelschichten kontinuierlich, d. h. online, vermessen wird.
Darstellung der Erfindung
Ziel der Erfindung ist es, die genannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Beeinflussung und Kontrolle der Oxidschicht auf thermisch belasteten Bauteilen von CO₂/H₂O-Gasturbinen, zu entwickeln. Das Verfahren soll möglichst einfach zu realisieren sein.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Verfahren gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1 dadurch gelöst, dass zum Schutz der Oxidschicht der thermisch belasteten Bauteile mit einem Sauerstoffüberschuss gefahren wird, dessen Höhe vom jeweiligen Zustand der Oxidschicht abhängig ist, wobei dieser Zustand der Oxidschicht durch periodische und/oder kontinuierliche Messungen ermittelt wird.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich ist, einen unerwünschten Abtrag der schützenden Oxidschicht auf den Oberflächen der thermisch belasteten metallischen Bauteile zu verhindern und somit einer korrosive Schädigung und einem vorzeitigen Ausfall der entsprechenden Bauteile vorzubeugen.
Vorteilhafterweise wird der Zustand der Oxidschicht der thermisch belasteten Bauteile anhand von Proben mit einer vorgängig kalibrierten Oberflächenbeschaffenheit ermittelt, indem die besagten Proben in die heiße Strömung eingebracht werden, dieser Strömung eine gewisse Zeit ausgesetzt werden und anschließend periodisch entnommen und untersucht werden. Dieses Verfahren ist relativ einfach zu realisieren.
Es ist aber ebenso möglich, dass der Zustand der Oxidschicht an mindestens einem thermisch belasteten Bauteil online kontrolliert wird. Die online-Kontrolle basiert vorzugsweise auf einer Emissionsmessung oder auf einer Analyse von Reflexionsspektren.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die aus der Kontrolle des Zustandes der Oxidschicht gewonnenen Informationen mit Informationen kombiniert werden, welche aus den Messergebnissen einer λ-Sonde gewonnen werden. Dann kann eine am Zustand der Oxidschicht orientierte, hinsichtlich Leistung und Wirkungsgrad optimierte Fahrweise der Gasturbinenanlage erzielt werden.
Es ist zweckmäßig, wenn zusätzlich Informationen über die lokale Zusammensetzung des Verbrennungsgases in der Turbine berücksichtigt werden. Derartige Informationen können beispielsweise mit Hilfe einer spektralen Emissionsanalyse gewonnen werden.
Schließlich ist das erfindungsgemäße Verfahren auch vorteilhaft anwendbar bei Kreislaufsystemen, bei denen das Arbeitsmedium durch Wärmeabfuhr verflüssigt und anstelle des Verdichters eine Pumpe eingesetzt wird, oder bei Systemen, bei denen ein integrierter Membran-Reaktor an die Stelle der Brennkammer tritt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In der Zeichnung sind vier Ausführungsbeispiele dargestellt. Es zeigen:
1 ein Kreislaufschema einer Gasturbinenanlage in einer ersten Ausführungsvariante;
2 ein Kreislaufschema einer Gasturbinenanlage in einer zweiten Ausführungsvariante;
3 ein Kreislaufschema einer Anlage in einer dritten Ausführungsvariante und
4 ein Kreislaufschema einer Gasturbinenanlage mit integriertem Membran-Reaktor.
In den Figuren sind jeweils gleiche Positionen mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen bezeichnet.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der 1 bis 4 veranschaulicht.
In 1 ist ein zum großen Teil geschlossener CO2-Gasturbinenkreislauf dargestellt. Er besteht im Wesentlichen aus einem Verdichter 1, einer Brennkammer 2, einer Turbine 3, einer Wärmesenke 4, einem Wasserabscheider 5 und einer CO₂-Entnahmestelle 6. Der Kreislauf weist eine innere Verbrennung eines Kohlenwasserstoffes, beispielsweise eines Erdgases, welches hauptsächlich aus Methan CH4 besteht, in einer aus O₂, CO₂ und gegebenenfalls H₂O aufbereiteten Atmosphäre auf. Die durch die Verbrennung entstehenden Komponenten CO₂ und H₂O, sowie gegebenenfalls mit dem Sauerstoff oder dem Erdgas zugeführte Inertgase werden laufend entfernt, so dass ein Kreislauf mit weitgehend konstanter Zusammensetzung des Arbeitsmediums aufrechterhalten bleibt.
Im Gegensatz zu konventionellen Gasturbinen, bei denen die Abgase stets noch einen hohen Anteil an Sauerstoff enthalten, kann das vorwiegend aus CO2 und H2O bestehende Arbeitsmedium in einem solchen Kreislaufprozess reduzierende Eigenschaften haben. Dadurch kann es bei hohen Temperaturen, wie sie in der Brennkammer und der Turbine herrschen, zu einem Abtrag der schützenden Oxydschicht auf den Metalloberflächen kommen. Um diesem Vorgang entgegenzuwirken, wird nun erfindungsgemäß die Verbrennung mit einem geeigneten Sauerstoffüberschuss betrieben. Der Sauerstoffüberschuss wird z. B. durch eine im Abgasstrom der Turbine angeordnete λ-Sonde kontrolliert.
Da die Zusammenhänge zwischen dem Sauerstoffüberschuss und dem Auf- und Abbau der Oxidschicht sehr komplex sein können, ist es von Vorteil, wenn zusätzlich Informationen über den Zustand der Oxidschicht auf den durch hohe Temperaturen gefährdeten Bauteilen für die Einstellung der Höhe des Sauerstoffüberschusses herangezogen werden. Gemäß 1 wird dies erreicht, indem eine Probe 7 mit einer zuvor kalibrierten Oberflächenbeschaffenheit an mindestens einer exponierten Stelle in der Brennkammer 2 angeordnet, periodisch entnommen und der Oberflächenzustand untersucht wird. Diese Probe 7 charakterisiert den Zustand des thermisch belasteten Bauteiles und dient als Grundlage für die einzustellende Größe des Sauerstoffüberschusses.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel werden hier keine in Bezug auf den Oberflächenzustand kalibrierten Proben 7 verwendet, sondern hier wird der Zustand der Oxidschicht der thermisch hochbelasteten Bauteile, beispielsweise der Leitschaufel der Turbine 3, kontinuierlich ermittelt, indem ein an sich bekanntes optisches Messverfahren 8, welches auf einer Analyse von Reflexionsspektren basiert, zur online-Messung des Oberflächenzustandes eingesetzt wird. Auf Grund dieser Messungen wird dann die Größe des notwendigen Sauerstoffüberschusses ermittelt und geregelt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann z. B. die online-Kontrolle auf einer Emissionsmessung basieren.
Das online-Oxidschichtmonitoring beruht darauf, mit einem geeignet aufgebauten optischen (Reflexions-)Sensor zu erkennen, ob eine Oxidschicht auf einer Metalloberfläche vorliegt.
Oxidierte und nichtoxidierte Oberflächen unterscheiden sich in zwei wesentlichen Punkten: 1. Der Emissionsgrad einer oxidierten Oberfläche ist sehr hoch, z. B. beträgt er für eine typische Ni-Basis-Superlegierung im nahen IR > 0.8. Für eine nichtoxidierte Oberfläche desselben Materials liegt der Emissionsgrad unter denselben Bedingungen wesentlich tiefer (< 0.5). Dies hat als Konsequenz, dass bei einer gegebenen Temperatur ohne aktive Beleuchtung die oxidierte Oberfläche deutlich mehr Strahlung emittiert als die nichtoxidierte Oberfläche. Bei Beleuchtung mit einer externen Quelle reflektiert die oxidierte Schicht weniger als die nichtoxidierte. 2. Das spektrale Emissionsverhalten, d. h. abgestrahltes (oder reflektiertes) Signal als Funktion der Wellenlänge, ändert sich im oxidierten Zustand gegenüber dem nichtoxidierten.
Falls sich das Abstrahlverhalten im relevanten Temperaturbereich nicht wesentlich ändert, kann z. B. ein rein passiver Sensor aus dem relativen Verhältnis der emittierten IR-Strahlung bei zwei oder mehr geeigneten Wellenlängen auf die Oberflächenbeschaffenheit schließen. Die Relativmessung hat den Vorteil, dass sie unempfindlich auf Verluste im optischen Pfad reagiert (z. B. Staub auf Sichtfenster), sofern sich diese gleich bei beiden Wellenlängen bemerkbar machen.
Robuster sind Verfahren mit aktiver, breitbandiger Beleuchtung. Hierbei wird die Oberfläche breitbandig, beispielsweise mit dem Licht einer Halogenlampe, bestrahlt und das reflektierte Licht spektral analysiert. Durch Vergleich mit dem Beleuchtungssignal lässt sich für jede Wellenlänge der Reflexionsgrad bestimmen und eine Quotientenbildung bei verschiedenen Wellenlängen gibt Aufschluss über die Oberflächenbeschaffenheit.
Als Beispiel wird die Legierung Hastelloy X genannt, für die sich ein Quotient aus zwei optischen Bandpässen, um 1.6 μm (λ₁) und um 2.1 μm (λ₂), zur Analyse anbietet. Im Falle einer nichtoxidierten Oberfläche wird bei λ₂ mehr reflektiert als bei λ₁, während es beim Vorliegen einer Oxidschicht genau umgekehrt ist. Licht beider Wellenlängen kann über Lichtwellenleiter flexibel übertragen werden. Um die Bandpässe und Beleuchtungsstrategie festzulegen, müssen die optischen Eigenschaften des jeweiligen Brennkammermaterials bekannt sein oder vorab bestimmt werden.
Vorteilhaft ist es, wenn die aus der Kontrolle des Zustandes der Oxidschicht gewonnenen Informationen mit Informationen kombiniert werden, welche aus den Messergebnissen einer λ-Sonde gewonnen werden zum Zwecke der Einstellung einer am Zustand der Oxidschicht orientierten, hinsichtlich Leistung und Wirkungsgrad optimierten Fahrweise der Anlage. Darüber hinaus können zum Beispiel Informationen über die lokale Zusammensetzung des Verbrennungsgases in der Turbine einbezogen, wobei diese Informationen beispielsweise mit Hilfe einer Emissionsanalyse gewonnen werden können.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in 3 dargestellt. Im Gegensatz zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Arbeitsmedium durch Wärmeabfuhr in einem CO2-Verflüssiger 10 verflüssigt und anstelle des Verdichters wird eine Pumpe 9 verwendet, mittels derer das flüssige Arbeitsmedium zur Brennkammer 2 gebracht wird.
Zur Begrenzung des maximalen Betriebsdruckes können in diesem Beispiel stufenweise Verdichtungs- und Entspannungsprozesse mit zwischengeschalteter Wärmezu- bzw. -abfuhr vorgesehen werden.
Ein letztes Ausführungsbeispiel ist in 4 dargestellt. Hier erfolgt die Reaktion von CH4 mit O2 in einem von einem Verdichter 1 mit komprimierter Luft versorgten Membran-Reaktor 11, wobei die eine Seite der Membran mit einem Sweep-Gas 13 gespült wird, das aus dem oben beschriebenen heißen CO2/H2O-Gemisch mit geringem O2-Anteil besteht. Der Membran-Reaktor 11 ist somit in den Sweep-Cycle der Gasturbinenanlage integriert, welcher außerdem ein stromteilendes Regelventil 14 aufweist. Mit Hilfe des stromteilenden Regelventils 14 wird geregelt, welcher Anteil des Sweep-Gases 13 der nachgeschalteten Sweep-Turbine 15 zugeführt wird und welcher Anteil im Sweep-Cycle verbleibt. Die aus dem Membran-Reaktor 11 austretende heiße Luft mit reduziertem Sauerstoff-Gehalt 12 wird in der Turbine 3 entspannt.
Insbesondere der Membran-Reaktor 11, die Sweep-Turbine 15 und gegebenenfalls nicht dargestellte zusätzlich enthaltene Wärmeübertrager müssen in diesem Beispiel vor Korrosion geschützt werden, so dass an diesen Stellen online-Messungen 8 des Oberflächenzustandes des thermisch belasteten Bauteiles vorgenommen werden.
Beispielsweise können die Messungen an mehreren Stellen erfolgen oder es können sowohl kontinuierliche online-Messungen als auch periodische Messungen an kalibrierten Proben 7 erfolgen.
Bezugszeichenliste

1: Verdichter
2: Brennkammer
3: Turbine
4: Wärmesenke, beispielsweise Kühler oder Abwärmeverwerter
5: Wasserabscheider
6: CO2-Entnahmestelle
7: Probe
8: online-Messung
9: Pumpe
10: CO2-Verflüssiger
11: Membran-Reaktor
12: heiße Luft mit reduziertem O2-Gehalt
13: Sweep-Gas
14: stromteilendes Regelventil
15: Sweep-Turbine

Claims

Verfahren zur Beeinflussung und Kontrolle der Oxidschicht auf thermisch belasteten metallischen Bauteilen von CO₂/H₂O-Gasturbinenanlagen; wobei ein kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff mit Sauerstoff verbrannt wird und das dabei entstehende überschüssige CO₂ und H₂O dem Kreislaufsystem an geeigneter Stelle entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Schutz der Oxidschicht der thermisch belasteten Bauteile mit einem Sauerstoffüberschuss gefahren wird, dessen Höhe vom jeweiligen Zustand der Oxidschicht abhängig ist, und wobei der Zustand der Oxidschicht durch periodische und/oder kontinuierliche Messungen ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand der Oxidschicht der thermisch belasteten Bauteile anhand von Proben (7) mit einer vorgängig kalibrierten Oberflächenbeschaffenheit ermittelt wird, indem die besagten Proben (7) in die heiße Strömung eingebracht werden, dieser Strömung eine gewisse Zeit ausgesetzt werden und anschließend periodisch entnommen und untersucht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand der Oxidschicht an mindestens einem thermisch belasteten Bauteil online kontrolliert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die online-Kontrolle auf einer Emissionsmessung basiert.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die online-Kontrolle auf einer Analyse von Reflexionsspektren basiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aus der Kontrolle des Zustandes der Oxidschicht gewonnenen Informationen mit Informationen kombiniert werden, welche aus den Messergebnissen einer λ-Sonde gewonnen werden zum Zwecke der Einstellung einer am Zustand der Oxidschicht orientierten, hinsichtlich Leistung und Wirkungsgrad optimierten Fahrweise der Gasturbinenanlage.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Informationen über die Zusammensetzung des Verbrennungsgases in der Turbine berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Informationen mit Hilfe einer spektralen Emissionsanalyse gewonnen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem aus mindestens einem Verdichter (1), mindestens einer Brennkammer (2), mindestens einer Gasturbine (3), mindestens einer Wärmesenke (4), mindestens einem Wasserabscheider (5) und einer CO₂-Entnahmestelle (6) bestehenden CO₂/H₂O-Kreislaufsystem der kohlenstoffhaltige Brennstoff in der Brennkammer (2) verbrannt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem aus mindestens einer Brennkammer (2), mindestens einer Gasturbine (3), mindestens einer Wärmesenke (4) und mindestens einem Wasserabscheider (5) bestehenden CO₂/H₂O-Kreislaufsystem der kohlenstoffhaltige Brennstoff in der Brennkammer (2) verbrannt wird und das Arbeitsmedium durch Wärmeabfuhr in einem CO2-Verflüssiger (10) verflüssigt und mittels einer Pumpe (9) zur Brennkammer (2) gebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem aus mindestens einem Verdichter (1), mindestens einem Membran-Reaktor (11), mindestens einer Gasturbine (3), mindestens einer Wärmesenke (4) und mindestens einem Wasserabscheider (5) bestehenden CO2/H2O-Kreislaufsystem der kohlenstoffhaltige Brennstoff in dem vom Verdichter (1) mit komprimierter Luft versorgten Membran-Reaktor (11) mit dem Sauerstoff zur Reaktion gebracht wird, wobei das CO₂/H₂O-Gemisch einerseits als Sweep-Gas (13) im Sweep-Cycle der Gasturbinenanlage mit integriertem Membran-Reaktor (11) verwendet wird und andererseits einer Sweep-Turbine (15) zugeführt wird.