DE2332698A1

DE2332698A1 - Verfahren zum betrieb einer gasturbinenanlage und fuer das verfahren eingerichtete gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE2332698A1
Application number: DE19732332698
Authority: DE
Inventors: Nebosja Prof Dipl I Gasparovic
Original assignee: Steag GmbH
Current assignee: Steag GmbH
Priority date: 1972-07-06
Filing date: 1973-06-27
Publication date: 1974-01-17
Also published as: NL7209417A

Description

Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage und für das Verfahren eingerichtete Gasturninenanlage Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage mit Verdichter und Brennkammer, wobei die Brennkammer für Primärverbrennungsluftzuführung und Sekundärverbrennungsluftzuführung eingerichtet ist und der Verbrennungsluft Wasser zur Reduzierung der Bildung von Stickoxiden zugesetzt wird. Die Erfindung bezieht sich fernerhin auf eine Anlage, die für dieses Verfahren besonders eingerichtet ist.
Im Rahmen der (aus der Praxis) bekannten Maßnahmen der beschriebenen Gattung wird die Verbrennungsluft als einheitlicher Strom bis an die Brennkammer geführt und erst dort aufgeteilt, jedoch wird der gesamte Verbrennungslufstrom mit Wasser beladen. Das ist nachteilig. Für die Beeinflussung der Flammentemperatur durch Wassereinspritzung ist nur der im Primärverbrennungsluftstrom enthaltene Wasserdampf von Bedeutung. Der Wasserdampf in dem wesentlich größeren Sekundärverbrennungsluftstrom ist also nutzlos. Insbes. bei ortsbeweglichen Gasturbinen (z. B. in Kraftwagen) ist das Mitführen großer Wassermengen unzweckmäßig. Die Wassermenge würde aber im Rahmen der bekannten Maßnahmen etwa fünfmal so hoch sein wie die Kraftstoffmenge. - Bekanntlich ist für die Bildung von Stickoxide (unter anderen Einflußfaktoren'; die Temperatur der Flamme in der Brennkammer von besonderer Bedeutung. Eine niedrige Flammentemperatur bedingt eine gering@r@ Entwicklung von Stickoxiden Man erstr mit den Maßnahmen de; eingangs beschriebenen Gattung, wie bereits erwähnt, eine Beeinflussung der Flammentemperatur. Dazu sind auch andere Maßnahmer üblich. So ist es bekannt, das Wasser in die Primärbrennzone der Brennkammer einzuspritzen. Das beeinflußt den WirKungsgrad der Gasturbinenanlage ungünstig, weil für die Verdampfung des Wasserie viel Wärme verbraucht wird. Auch is es bekannt, Wasserdampf in die Brennkammer einzuspeisen, das ist nachteilig weil der Wasserdampf in einem Dampferzeuger gebildet werden muß womit die entsprechende Wärme für die Luftvorwärmung verlorengeht.
Alle bekannten Maßnahmen sind daher unbefriedigend Bis heute ist mit geringer Wassermenge bzw. wirtschaftlich eine wirksame Reduzierung der Bildung von Stickoxyden nicht erreichbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , die eingangs beschriebenen Maßnahmen so winter auszubildenr daß mit geringer Wassermenge eine wirksame Reduktion der Bildung von Stickoxiden erreicht wird.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage mit Verdichter und Brennkammer, wobei die Brenrknmmer für Primärerbrennunslu£tzuführung und Sekundä.rverbrennungsluftzuführung eingerichtet ist und der Verbrennungsluft Wasser zur Reduzierung der Bildung von Stickoxiden zugesetzt wird.
Die Erfindung besteht darin, daß der Verbrennungsluftstrom zwischen Verdichter und Brennkammer in einen Primärverbrennungsluftstrom und in einen Sekundärverbrennungsluftstrom aufgeteilt una nur dem Primärverbrennungsluftstrom das Wasser in Form von Flüssigwasser und/oder Wasserdampf zugegeben wird. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird der Primärverbrennungsluftstrom mit dem zugesetzten Wasser vor Einführung in die Brennkammer einer Vorwärmung unterworfen, und zwar im Wärmetausch mit Gasturbinenabgasen. Ebenso wird zweckmäßigerweise und in bekannter Weise der Sekundärverbrennungsluftstrom einer entsprechenden Vorwärmung unterworfen. Der vorgewärmte Primärverbrennungsluftstrom kann im Rahmen der Erfindung nach der Vorwärmung erneut mit Wasser versetzt und danach auch erneut vorgewärmt werden.
Die erreichten Vorteile sind darin zu senen, daß erfindungsgemäß mit einer verhältnismäßig geringen Wassermenge die Reduzierung der Bildung von Stickoxiden in den Brennkammern von Gasturbinenanlagen gelingt. Es muß als überraschend angesehen werden, daß genau die ausreichende Wassermenge dem Primärverbrennungsluftitrom einer Gasturbinenanlage ohne Schwierigkeiten beigegeben werden kann. Beträgt der Gehalt an Stickoxiden bei einer normalen Gasturbinenanlage etwa 100 ppm, so läßt er sich im Rahmen der Erfindung auf unter 20 ppm vermindern, Die dazu erforderliche Wassermenge liegt bei 4 bis 8% des Gewichtes des Verbrennungsluftstromes und ist damit im Vergleich zu bekannten Maßnahmen extrem klein. Er entspricht mengenmäßig in etwa dem Kraftstoffverbrauch der Gasturbinenanlage. Das Mitführen einer solchen Wassermenge in ortsbeweglichen Anlagen verursacht keine erheblichen Schwierigkeiten. Von besonderem Vorteil ist die Tatsache, daß auch eine Anlage, die für das erfindungsgemäße Verfahren eingerichtet ist, sich von bekannten Anlagen nur wenig unterscheidet, nämlich nur dadurch, daß das Verbrennungsluftleitungssystem eine Primärverbrennungsluftleitung und eine Sekundärverbrennungsluftleitung aufweist und in der Primärverbrennungsluftleitung Düsen zur Wassereinführung angeordnet sind.
Die Primärverbrennungsluftleitung besitzt dann in Strömungsrichtung hinter diesen Düsen zur Wassereinführung einen Wärmeaustauscher, der wärmeseitig an die Gasturbine angeschlossen ist und durch die fühlbare Wärme der Gasturbinenabgase beheizt wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert, wobei gleichzeitig nicht nur die beschriebenen sondern auch weitere Merkmale einer für das erfindungsgemäße Verfahren eingerichteten Anlage offenbart werden.
Es zeigen in schematischer Darstellung Fig. 1 eine Gasturbinenanlage, die für das erfindungsgemäße Verfahren eingerichtet ist, Fig. 2 eine andere Ausführungsform des Gegenstandes nach Fig. 1, Fig. 3 den Gegenstand nach Fig. 2 mit doppelter Wasserzuführung und doppelter Vorwärmung und Fig. 4 eine Abwandlung des Gegenstandes der Fig. 3.
Die in den Figuren dargestellte Gasturbinenanlage ist im einzelnen nicht spezifiziert, weil es auf diese Spezifizierung für die Erläuterung der Erfindung nicht ankommt. Insbesondere ist es belanglos, ob es sich z. B. um eine Zweiwellenanlage handelt oder nur um eine Einwellenanlage, auch ist unwesentlich, ob der Verdichter aus zwei Verdichtungsaggregaten mit Zwischenkühlung besteht. Jedenfalls gehören zur Anlage der Verdichter 1 und die Brennkammer 2 wobei ein Verbrennungsluftleistungssystem zwischen Verdichter und Brennkammer angeordnet ist. Das Verbrennungsluftleitungssystem besitzt eine Primärverbrennungsluftleitung 3 und eine Sekundärverbrennungsluftleitung 4, wobei in der Primärverbrennungsluftleitung Düsen 5 zur Wassereinführung angeordnet sind. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 befindet sich ein Wärmetauscher 6 in der Sekundärverbrennungsluftleitung 4, und zwar hinter den Düsen 5 zur Wassereinführung. Dieser Wärmetauscher 6 ist wärmeseitig über die Abgasleitung 7 an die Gasturbinenanlage G angeschlossen und durch die fühlbare Wärme der Gasturbinenabgase beheizt. Bei ir Ausführungsform nach Fig. 2 befindet sich ein solcher Wärmetauscher 6 zusätzlich auch in der Sekundärverbrennungsluftleitung 4, so daß beide Verbrennungsluftströme vorgewärmt werden. Die Reihenfolge der Vorwärmung läßt sich ohne weiteres optimieren.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist eine weitere Variante dargestellt worden, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Primärverbrennungsluftleitung 3 in Strömungsrichtung hinter ihrem Wärmetauscher 6 weitere Düsen 8 zur Einführung von Wasser und einen weiteren, nachgeschalteten Wärmetauscher 9 aufweist.
In der Praxis würde man die beiden Wärmetauscher 6, 9 strömungstechnisch als eine Einheit bauen und ggf. als identische, parallel angeordnete Einrichtungen ausführen. Die in Fig. 4 dargestellte Abwandlung bringt eine besonders starke Vorwärmung des Primärverbrennungsluftstromes.
Die Figuren erläutern, wie bei der dargestellten Anlage auf einfache Weise die Regelung der zugeführten Wassermenge erreicht wird. Das geschieht dadurch, daß die Düsen 5, 8 zur Einführung von Wasser in die Primärverbrennungsluftleitung 3 in zugeordnete Regelkreise 10 integriert sind, die als Istwertgeber in der Primärverbrennungsluftleitung 3 angeordnete Temperaturfühler 11 aufweisen. Sind nur Düsen 5 oder eine Düse 5 vorgesehen, wie dies in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, ist nur ein Regelkreis 10 des vorstehend beschriebenen Aufbaues erforderlich. Die Wassermenge kann beeinflußt werden, in dem der Regler 12 die zugeordnete Pumpe 13 oder auch die Düsen 5, 8 verstellt. Im Ergebnis erreicht man, daß der Verbrennungsluftstrom zwischen Verdichter 1 und Brennkammer 2 in einen Primärverbrennungsluftstrom und in einen Sekundärverbrennungsluftstrom aufgeteilt ist, wobei nur dem Primärverbrennungsluftstrom das Wasser zugesetzt wird, und zwar in Form von Flüssigwasser und/oder in Form von Wasserdampf und in einer Menge, die sich ohne Schwierigkeiten auf minimalem Gehalt der Stickoxide in den Gasturbinenabgasen einstellen läßt.

Claims

Patentansprüche.

Ö. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage mit Verdichter und Brennkammer, wobei die Brennkammer für Primärverbrennungsluftzuführung und Sekundärverbrennungsluftzuführung eingerichtet ist und der Verbrennungsluft Wasser zur Reduzierung von Stickoxiden zugesetzt wird, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Verbrennungsluftstrom zwischen Verdichter und Brennkammer in einen Primärverbrennungsluftstrom und in einen Sekundärverbrennungsluftstrom aufgeteilt und nur dem Primärverbrennungsluftstrom das Wasser in Form von Flüssigwasser und/oder Wasserdampf zugesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärverbrennungsluftstrom mit dem zugesetzten Wasser vor Einführung in die Brennkammer einer Vorwärmung (im Wärmetausch mit Gasturbinenabgasen) unterworfen wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgewärmte Primärverbrennungsluftstrom erneut mit Wasser versetzt und danach erneut vorgewärmt wird.
4. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, - mit Verdichter und Brennkammer sowie Verbrennungsluftleitungssystem zwischen Verdichter und Brennkammer, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbrennungsluftleitungssystem eine Primärverbrennungs luft leitung (3) und eine Sekundärverbrennungsluftleitung (4) aufweist und in der Primärverbrennungsluftleitung (3) Düsen (5) zur Wassereinführung angeordnet sind.
5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärverbrennungsluftleitung (3) in Strömungsrichtung hinter den Düsen (4) zur Wassereinführung einen Wärmetauscher (6) aufweist, der wärmeseitig an die Gasturbinenanlage angeschlossen und durch die fühlbare Wärme der Gasturbinenabgase (7) beheizt ist.
6. Anlage nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärverbrennungsluftleitung (3) in Strömungsrichtung hinter dem Wärmetauscher (6) weitere Düsen (8) zur Einführung von Wasser und ggf. einen weiteren Wärmetauscher (9) aufweist.
7. Anlage nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (5, 8) zur Einführung von Wasser in die Primärverbrennungsluftleitung (3) in einen Regelkreis (10) integriert sind, der als Istwertgeber in der Primärverbrennungsluftleitung (3) angeordnete Temperaturfühler (11) aufweist.

L e e r s e i t e