DE69635318T2

DE69635318T2 - Injektionsvorrichtung für tröpfchenförmige Flüssigkeit

Info

Publication number: DE69635318T2
Application number: DE69635318T
Authority: DE
Inventors: Motoaki Hitachi-shi Utamura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-12-28
Filing date: 1996-12-18
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2016-12-19
Also published as: US20020026783A1; DE69635318D1; US6286301B1; US20070022734A1; DE69630359D1; EP1340895A2; CN1228541C; US6581368B2; US20030196439A1; EP1340895B1; EP0781909A2; US7404287B2; DE69630359T2; KR970044622A; CN1456795A; EP1340895A3; CN1107161C; US6357236B1; JPH09236024A; US20030029157A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft eine Flüssigkeitströpfchen-Einspritzvorrichtung für einen Gasturbinenmotor gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
2. Beschreibung des einschlägigen Stands der Technik
Wenn im Sommer o.Ä. die Lufttemperatur steigt, fällt die Ausgangsleistung einer Gasturbine, und verschiedene Konstruktionen für ein Verfahren der Leistungs-Wiedergewinnung sind offenbart worden.
In der offengelegten japanischen Patentanmeldung HEI 7-97933, der offengelegten japanischen Gebrauchsmusteranmeldung SHO 61-37794 oder der offengelegten japanischen Patentanmeldung HEI 5-195809 ist offenbart, die Verdichter-Einlassluft zu kühlen.
Dagegen ist in der offengelegten japanischen Patentanmeldung SHO 61-283723 offenbart, in einem kombinierten System eines Vergasungsofens und einer Gasturbine Wasser von einem Verdichtereingang und einer mittleren Stufe des Verdichters zuzuführen.
Weiterhin ist in der offengelegten japanischen Gebrauchsmusteranmeldung SHO 56-43433 offenbart, eine Zufuhröffnung für Wassertropfen in einem Verdichter vorzusehen; und in der offengelegten japanischen Patentanmeldung HEI 2-211331 ist eine Gasturbine offenbart, die zwei Hochdruck- und Niederdruck-Verdichter und einen zwischen den Verdichtern vorgesehenen Zwischenkühler aufweist. Dagegen ist in der offengelegten japanischen Patentanmeldung HEI 6-10702 eine Vorrichtung offenbart, bei der in einer Verdichtergruppe, die eine Vielzahl von Verdichterstufen aufweist, Wasser an einer Stelle zwischen der stromaufwärti gen Verdichterstufe und der stromabwärtigen Verdichterstufe eingespritzt wird, um den Energieverbrauch zu verringern.
Jedoch offenbaren die offengelegte japanische Patentanmeldung HEI 7-97933, die veröffentlichte japanische Gebrauchsmusteranmeldung SHO 61-37794 oder die offengelegte japanische Patentanmeldung HEI 5-195809 nur, die Temperatur der in einen Verdichter eingeführten Einlassluft zu senken, um die Ausgangsleistung zu erhöhen. Obwohl in der offengelegten japanischen Patentanmeldung SHO 61-283723 offenbart ist, Flüssigkeitstropfen während der Verdichtung zu verdampfen, um sie als Mittel zur Kühlung der Schaufeln einer Turbine zu verwenden und die Turbinenzyklus-Kennlinie zu erhöhen, wird damit nicht sowohl die Erhöhung der Leistung als auch eine Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads erreicht.
Von einer Gasturbine, einer Anlage mit kombiniertem Zyklus oder einem Verdichter wird ein Erreichen sowohl einer erhöhten Leistung als auch eines erhöhten thermischen Wirkungsgrads erwartet.
Um wie in der offengelegten japanischen Patentanmeldung HEI 6-10702 oder der offengelegten japanischen Patentanmeldung HEI 2-21133 beide Wirkungen einer Erhöhung der Ausgangsleistung und einer Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads zu erreichen, ist eine spezielle Ausrüstung für einen Strömungsweg für Hochdruckgas an einem mittleren Abschnitt eines Verdichters erforderlich, und es besteht das Problem, dass der Verdichteraufbau kompliziert ist und insgesamt vergrößerte Abmessungen hat. Weiterhin ist gemäß der offengelegten japanischen Gebrauchsmusteranmeldung SHO 56-43433 erforderlich, dass ein Gehäuse und Düsen in einem Verdichter einen speziellen Aufbau haben.
Wenn eine existierende Gasturbine, eine existierende kombinierte Anlage und ein existierender Verdichter betrachtet werden, wird erwartet, dass eine Erhöhung der Leistung und des thermischen Wirkungsgrads mit einer einfachen Ausrüstung erreicht werden können.
Die US-A-5 353 585 offenbart eine Gasturbine mit einem Verdichter für eine Verdichtung und Förderung von ihm zugeführter Luft, einer Brennkammer, in der Kraftstoff mit der von dem Verdichter geförderten Luft verbrannt wird, einer Turbine, die von dem verbrannten Gas der Brennkammer angetrieben wird, und einer Flüssigkeitstropfen-Einspritzvorrichtung, die auf der stromaufwärtigen Seite des Verdichters für eine Einspritzung von Flüssigkeitstropfen in Einlassluft, die in den Verdichter eingeführt wird, angeordnet ist. Weiterhin sind Erfassungseinrichtungen vorgesehen, die den Taupunkt der erhitzten und befeuchteten Eingangsluft erfassen. Im Betrieb regelt, wenn der Taupunkt der Einlassluft nicht erreicht ist, eine Regelvorrichtung die Flüssigkeitstropfen-Vorrichtung, um die Einlassluft auf ihren Taupunkt zu kühlen. Nach Erreichen des Taupunkts wird die Flüssigkeits-Einspritzvorrichtung so geregelt, dass der Taupunkt aufrechterhalten wird.
AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Flüssigkeitströpfchen-Einspritzvorrichtung zur Verfügung zu stellen, durch die sowohl eine Erhöhung der Ausgangsleistung als auch eine Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads erreicht werden können, indem Flüssigkeitströpfchen in Einlassluft, die in den Eingang eines Verdichters eingeführt wird, eingespritzt werden. Diese Aufgabe wird durch eine Flüssigkeitströpfchen-Einspritzvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Es können Flüssigkeitstropfen in die Einlassluft eingespritzt werden, die bei Leistungsbedarf in den Eingang des Verdichters eingeführt wird, um mit einer einfachen, für den praktischen Einsatz geeigneten Vorrichtung sowohl eine Erhöhung der Ausgangsleistung als auch eine Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads zu erreichen.
Durch eine einfache, für den praktischen Einsatz geeignete Vorrichtung können kleine Flüssigkeitstropfen in die Einlassluft zugeführt werden, die dem Verdichter zugeführt wird, und Wassertropfen können gut durch eine Einlassluftströmung, die dem Verdichter zugeführt wird, gefördert werden. Dementsprechend kann Gas, das Flüssigkeitstropfen enthält, effizient von dem Eingang des Verdichters in den Verdichter transportiert werden. Außerdem können die Flüssigkeitstropfen, die in den Verdichter eingeführt werden, unter guten Bedingungen verdampft werden. Dadurch können eine Erhöhung der Ausgangsleistung und eine Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads erreicht werden.
Mit der Flüssigkeitströpfchen-Einspritzvorrichtung können sowohl Ausgangsleistung als auch thermischer Wirkungsgrad einer Gasturbine o.ä., die diese Einrichtung umfasst, erhöht werden.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, in denen gleiche Teile oder Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
2 ist eine ähnliche Ansicht, die eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform zeigt;
3 ist eine ähnliche Ansicht, die eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform zeigt;
4 ist ein Diagramm, das eine Temperaturverteilung der verdichteten Luft in einem Verdichter zeigt;
5 ist ein Diagramm, das ein Verhältnis zwischen der Lufttemperatur und der absoluten Feuchtigkeit in einem psychrometrischen Diagramm bei einem Verdichterverfahren zeigt;
6 ist ein Diagramm, das ein Verhältnis zwischen der Einlasslufttemperatur und dem Einlassluft-Massendurchsatz zeigt;
7 ist eine diagrammatische Ansicht, die thermische Kreislaufdiagramme der vorliegenden Erfindung und anderer Verfahren zum Vergleich zeigt;
8 ist eine schematische Ansicht, die einen genauen Aufbau einer Gasturbine zeigt;
9(a) und 9(b) sind Diagramme, die ein Verhältnis zwischen der Menge eingespritzter Wassertropfen und dem Anstiegsverhältnis der Ausgangsleistung der Gasturbine zeigen;
10 ist eine diagrammatische Ansicht, die ein Verhältnis zwischen der Axialgeschwindigkeit und dem Geschwindigkeitsdreieck zeigt;
11 ist eine schematische Ansicht, die eine Anordnung von Zerstäuberdüsen in einer Einlassluftkammer zeigt; und
12 ist ein Diagramm, das einen Unterschied zwischen Verdichter-Auslasstemperaturen vor und nach der Einspritzung zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
Eine Gasturbine der erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst, wie in 1 gezeigt, einen Verdichter 1 für eine Verdichtung und Förderung von Gas, eine Brennkammer 5, der das von dem Verdichter 1 verdichtete Gas zugeführt wird, eine Turbine 2, die durch das Verbrennungsgas durch die Brennkammer 5 angetrieben wird, einen Generator 3, der mit einer Welle der Turbine 2 verbunden ist, und ein Stromnetz 4 zum Übertragen von Strom, der von dem Generator 3 erzeugt wurde. Abgas 7 aus der Gasturbine wird durch einen Kamin 8 in die Atmosphärenluft entlassen.
Bei der folgenden Ausführungsform wird angenommen, dass das dem Verdichter 1 zugeführte Gas Luft ist.
Eine Einlassluftkammer 10 zur Aufnahme von Einlassluft 6, die dem Verdichter 1 zugeführt werden soll, ist mit dem Verdichter 1 verbunden. Üblicherweise ist eine Jalousie 9 an der stromaufwärtigen Seite der Einlassluftkammer 10 angeordnet. Ein Luftfilter ist angrenzend an die Jalousie 9 an der Verdichterseite (hintere Strömungsseite) angeordnet. Da der Luftfilter unmittelbar hinter der Position der Jalousie 9 angeordnet ist, ist er in 1 weggelassen.
Während die Form, in der die Jalousie 9 an der stromaufwärtigen Seite der Einlassluftkammer angeordnet ist, in 1 gezeigt ist, wo der Luftfilter mitten in der Einlassluftkammer angeordnet ist, stellt die Einlassluftkammer 10 bei der vorliegenden Ausführungsform einen Einlassluftweg zu dem Eingang des Verdichters an der stromabwärtigen Seite des Luftfilters dar.
Während der Verdichter 1, die Turbine 2 und der Generator 3 in 1 mit einer gemeinsame Welle verbunden sind, können der Verdichter 1 und die Turbine 2 sonst verschiedene Schäfte haben.
Es ist zu beachten, dass in 1 das Bezugszeichen T1 eine Einlasslufttemperatur 20 vor dem Einlass der Einlassluft in den Verdichter 1, T2 eine Verdichter-Förderlufttemperatur 21, T3 eine Verbrennungstemperatur 22 und T4 eine Temperatur 23 des Abgases, das aus der Turbine 2 ausgelassen wird, bezeichnet.
Soweit nicht anders angegeben, bezeichnen die unten stehenden Bezugszeichen, die gleich den oben stehenden Bezugszeichen sind, die gleichen Gegenstände.
Die erste Ausführungsform umfasst weiterhin eine Flüssigkeitstropfen-Einspritzvorrichtung, die kleine Tropfen in die Einlassluftkammer 10 fördert. Beispielsweise ist eine Zerstäuberdüse 11 vorgesehen. Der mittlere Sauter-Durchmesser (SMD) der Partikel der geförderten Flüssigkeitstropfen ist z.B. ungefähr 10 μm. Die Speisewassereinrichtung 13 ist mit der Zerstäuberdüse 11 verbunden. Wo die Zerstäuberdüse 11 eine Zerstäubereinrichtung zur Erzeugung solcher kleiner Tropfen aufweist, kann nur die Speisewassereinrichtung 13 angeschlossen sein, wogegen andernfalls die Zerstäubereinrichtung zusätzlich zu der Zerstäuberdüse 11 vorgesehen sein kann. Ein Aufbau, der eine getrennte Zerstäubereinrichtung umfasst, wird unten im Zusammenhang mit der zweiten Ausführungsform ausführlich beschrieben.
Die Speisewassereinrichtung 13 umfasst ein Regelventil 15 zum Regeln des Durchsatzes, eines Speisewasserpumpe 16, einen Speisewasserbehälter 17 und eine Speisewasservorrichtung 18 für die Zufuhr von Wasser zu dem Speisewasserbehälter 17.
Das Regelventil 15 ist elektrisch mit einem Funktionsgeber 24 verbunden, dem über einen Zusatzabschnitt ein Signal auf der Grundlage der Ausgangsleistung des Generators 3 und ein Lastbefehlssignal Pd 25 eingegeben werden und der ein Öffnungssignal für das Regelventil 15 o.Ä. und andere Befehle ausgibt. Das Regelventil 15 steht mit dem Funktionsgeber 24 z.B. durch ein Signalkabel 26 o.Ä. in Verbindung. In einigen Fällen kann das Lastbefehlssignal Pd 25 in den Funktionsgeber 24 eingegeben werden.
Die Einlassluft 6 strömt durch die Jalousie 9 und gelangt in die Einlassluftkammer 10, und Wasser aus dem Speisewasserbehälter 17 strömt durch das Regelventil 15 mit vorher bestimmter Öffnung und durchläuft die Speisewassereinrichtung 13, so dass kleine Tropfen von der Zerstäuberdüse 11 gefördert werden. Wo eine Luftzufuhr von der Luftzufuhreinrichtung 12 erforderlich ist, um die kleinen Tropfen zu fördern, wird ein Regelventil 14 zusätzlich auf eine vorher bestimmte Öffnung geregelt, um den Partikeldurchmesser der geförderten Flüssigkeitstropfen zu regeln. Die Einlassluft 6 enthält die Flüssigkeitstropfen, so dass sie einen Nebelstrom bildet und in den Verdichter 1 einströmt, nachdem der Nebelstrom teilweise verdampft ist, um die Einlassluft zu kühlen. Die in der Einlassluft enthaltenen Flüssigkeitstropfen werden im Inneren des Verdichters 1 verdampft und kühlen die verdichtete Luft.
4 zeigt eine Temperaturverteilung der verdichteten Luft in dem Verdichter. Die Lufttemperatur T21 am Ausgang des Verdichters 1 fällt stärker in einem Fall 28, wenn Wasser eingespritzt und Wassertropfen in dem Verdichter 1 verdampft werden, als in einem Fall 27, wenn keine Wassertropfen eingespritzt werden. Außerdem zeigt die Lufttemperatur T21 in dem Verdichter ein durchgehendes Absinken.
Nachdem die Flüssigkeitstropfen in dem Verdichter 1 im Wesentlichen verdampft sind, wird die verdichtete Luft mit Kraftstoff gemischt, und der Kraftstoff wird in der Brennkammer 5 verbrannt, so dass ein Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck entsteht, das in die Turbine 2 strömt und in dieser wirkt. Die mechanische Energie der Turbine 2 wird durch den Generator 3 in elektrische Energie umgewandelt, und die elektrische Energie wird in das elektrische Stromnetz 4 eingespeist. Das Abgas 7 wird nach Beendigung der Arbeit durch den Kamin 8 in die Atmosphärenluft entlassen.
Durch die vorliegende Ausführungsform kann eine Erhöhung der Ausgangsleistung erzielt und der thermische Wirkungsgrad erhöht werden.
Der Ausgangsleistungs-Erhöhungsmechanismus gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann qualitativ wie folgt zusammengefasst werden.
1) Kühlen der Einlassluft, die in den Verdichter 1 eingeführt werden soll, entsprechend einer konstanten Temperaturlinie am Verdunstungsthermometer auf einem psychrometrischen Diagramm in der Einlassluftkammer 10; 2) Kühlen des inneren Gases durch Verdampfung von Flüssigkeitstropfen, die in den Verdichter 1 eingeführt werden; 3) eine Differenz zwischen der Menge des Arbeitsfluids, das durch die Turbine 2 bzw. den Verdichter 1 strömt, was einer Verdampfungsmenge in dem Verdichter 1 entspricht; 4) ein Anstieg der isobarischen spezifi schen Wärme der Mischung, der durch die Mischung von Luft und Dampf hervorgerufen wird, die eine höhere isobarische spezifische Wärme hat als reine Luft, und so weiter.
11 zeigt einen Umriss einer Anordnung der Zerstäuberdüse 11 in der Einlassluftkammer 10.
Eine große Zahl Zerstäuberdüsen 11 sind in einem vorher bestimmten imaginären Abschnitt des Einlassluft-Strömungsweges angeordnet. Beispielsweise sind sie in einer Ebene angeordnet, die im Wesentlichen senkrecht zu einer Strömungsrichtung der Einlassluft ist. Die Zerstäuberdüsen 11 sind so angeordnet, dass die Abstände zwischen benachbarten Zerstäuberdüsen in Längsrichtung des Querschnitts des Einlassluftweges jeweils gleich sind. Dabei sind die Zerstäuberdüsen 11 so angeordnet, dass die Abstände zwischen benachbarten Zerstäuberdüsen in seitlicher Richtung des Querschnitts des Einlassluft-Strömungsweges jeweils gleich sein können. Insgesamt kann eine große Zahl Zerstäuberdüsen 11 in einem Bereich der Einlassluftkammer 10 angeordnet sein, der den Einlassluft-Strömungsweg bildet, außer an Abschnitten nah an Wandflächen, wie in 11 dargestellt.
Die Abstände zwischen benachbarten Einspritzdüsen können auch bei den anderen Ausführungsformen ähnlich gesetzt sein.
Durch diese Anordnung können Wassertropfen gleichmäßig in der Einlassluft verteilt werden, die dem Eingang des Verdichters zugeführt wird.
Bei einer herkömmlichen Einlassluft-Kühlungsvorrichtung, die Zerstäuberdüsen außerhalb einer Einlassluftkammer oder an der stromaufwärtigen Seite eines Luftfilters umfasst, ist dagegen die Einspritzung einer großen Menge Wasser erforderlich, da die Verdampfungseffizienz gering ist, und deshalb sind üblicherweise eine Wiedergewinnungsvorrichtung, die fast die gesamte eingespritzte Flüssigkeit wiedergewinnt, und ein Zirkulationssystem in großem Maßstab vorgesehen, das die wiedergewonnene Flüssigkeit wieder den Zerstäuberdüsen 11 zuführt. Bei der vorliegenden Ausführungsform dagegen besteht außerdem der Vorteil, dass keine solche Vorrichtung in großem Maßstab vorgesehen sein muss, da die Verdampfungseffizienz auf einen Wert nahe an 1 erhöht werden kann.
Die Zerstäuberdüsen 11 sind bezüglich des Luftfilters der Jalousie 9 an der stromabwärtigen Seite angeordnet. Daher können die Flüssigkeitstropfen in einem Strom von Einlassluft zuverlässig zu dem Verdichter 1 gefördert werden. Das liegt daran, dass die Gefahr, dass, wo Flüssigkeitstropfen der stromaufwärtigen Seite zugeführt werden, Wassertropfen an dem Luftfilter der Jalousie 9 anhaften können oder der Luftfilter verstopfen kann, vermieden werden kann.
Weiterhin sind die Zerstäuberdüsen 11 vorzugsweise von dem Eingang des Verdichters 1 beabstandet angeordnet, wobei eine Verdampfungsmenge berücksichtigt wird, wenn Flüssigkeitstropfen in die Einlassluftkammer 10 strömen usw. Wo eine so genannte Einlassleitschaufel an dem Eingang des Verdichters 1 angeordnet ist, sind die Zerstäuberdüsen 11 an der stromaufwärtigen Seite der Einlassleitschaufel angeordnet. Es ist zu beachten, dass, wo ein Schalldämpfer o.Ä. vorgesehen ist, die Zerstäuberdüsen 11 an der stromabwärtigen Seite des Schalldämpfers o.Ä. angeordnet sind.
Wo die Zerstäuberdüsen 11 in der Nähe der Grenze zwischen dem Verdichter 1 und der Einlassluftkammer 10 angeordnet sind, ist es leicht, Partikeldurchmesser von Flüssigkeitstropfen, die in den Verdichter gelangen, zu erfassen, wenn kleine Tropfen eingespritzt werden können, oder in einem ähnlichen Fall.
Beispielsweise kann die Verdampfung von Flüssigkeitstropfen an einer Stufe näher an der Seite der ersten Stufe beginnen, um die Antriebsleistung des Verdichters wirksam zu reduzieren.
8 ist eine schematische Ansicht, die einen detaillierten Aufbau einer Gasturbine zeigt, bei der die vorliegende Erfindung angewandt wird. Flüssigkeitstropfen, die von den Zerstäuberdüsen 11 in die Einlassluft eingespritzt werden, strömen in einer Luftströmung durch den Eingang in den Verdichter. Die durchschnittliche Luftströmungsgeschwindigkeit der Einlassluft, die in die Einlassluftkammer strömt, liegt z.B. bei 20 m/s. Flüssigkeitstropfen 37 bewegen sich auf Gaswegen des Verdichters 1 entlang von Stromlinien. In dem Verdichter wird die Einlassluft durch adiabatische Verdichtung erwärmt, und während die Flüssigkeitstropfen durch die Wärme von dessen Oberflächen verdampft werden, werden sie zu der Seite der Schaufel der hinteren Stufe transportiert, während sich ihre Partikeldurchmesser verringern. Bei diesem Verfahren sinkt die Temperatur der Luft in dem Verdichter um einen größeren Betrag als dort, wo die vorliegende Erfindung nicht angewandt wird (s. 4), da die gebun dene Verdampfungswärme, die für eine Verdampfung nötig ist, aus der Luft in dem Verdichter zugeführt wird (ungebundene Wärme). Wenn die Partikeldurchmesser der Flüssigkeitstropfen groß sind, kollidieren die Flüssigkeitstropfen mit den Schaufeln oder dem Gehäuse des Verdichters 1 und nehmen Wärme von dem Metall auf, so dass sie verdampft werden, und dadurch kann die Temperatur senkende Wirkung des Arbeitsfluids möglicherweise beeinträchtigt werden. Von diesem Standpunkt aus sind die Partikeldurchmesser der Flüssigkeitstropfen vorzugsweise klein.
Die eingespritzten Flüssigkeitstropfen haben unterschiedliche Partikeldurchmesser. Vom Standpunkt der Vermeidung einer Kollision mit den Schaufeln oder dem Gehäuse des Verdichters 1 oder der Verhinderung einer Erosion der Schaufeln werden die eingespritzten Flüssigkeitstropfen so geregelt, dass sie Partikeldurchmesser von hauptsächlich 50 μm oder weniger haben können. Vom Standpunkt der Reduzierung der Beeinflussung der Schaufeln werden die Flüssigkeitstropfen bevorzugt so geregelt, dass der größte Partikeldurchmesser gleich oder kleiner als 50 μm sein kann.
Da Flüssigkeitstropfen mit kleineren Partikeldurchmessern gleichmäßiger in der einströmenden Luft verteilt werden können, und vom Standpunkt einer Vermeidung eines Entstehens eines Temperaturunterschieds in dem Verdichter werden außerdem die Partikeldurchmesser bevorzugt auf 30 μm mittlerer Sauter-Durchmesser (SMD) oder weniger gesetzt. Da von den Einspritzdüsen eingespritzte Flüssigkeitstropfen unterschiedlich in der Teilchengröße sind, ist die Messung bei dem größten, oben erwähnten Partikeldurchmesser nicht einfach, und deshalb kann im praktischen Einsatz ein Messergebnis mit dem mittleren Sauter-Durchmesser (SMD) der Partikel wie oben beschrieben verwendet werden. Es ist hervorzuheben, dass, obwohl die Partikeldurchmesser vorzugsweise klein sind, der Größenbereich des Partikeldurchmessers im praktischen Einsatz von der technisch möglichen Untergrenze bestimmt ist, da die Einspritzdüsen, die Flüssigkeitstropfen mit kleinen Partikeldurchmessern erzeugen, eine Erzeugungstechnik von hoher Genauigkeit erfordern. Von dem gerade beschriebenen Standpunkt aus liegt deshalb die Untergrenze z.B. für den Haupt-Partikeldurchmesser, den größten Partikeldurchmesser oder den Durchschnittspartikeldurchmesser bei 1 μm. Da die Energie für die Erzeugung der Flüssigkeitstropfen in den meisten Fällen ansteigt, wenn deren Partikeldurchmesser sinkt, kann die Untergrenze außerdem anders bestimmt sein, unter Berücksichtigung der Energie, die für die Erzeugung der Flüssigkeitstropfen gebraucht wird. Wo der Partikeldurchmesser der Flüssigkeitstropfen auf einen Wert gesetzt wird, um den die Flüssig keitstropfen in der Atmosphärenluft schweben und nicht leicht herunterfallen, zeigen die Flüssigkeitstropfen üblicherweise gute Wärmeübertragungseigenschaften.
Wenn die Flüssigkeitstropfen verdampft werden, vergrößert sich der Massendurchsatz der Arbeitsflüssigkeit. Wenn die Verdampfung in dem Verdichter abgeschlossen ist, wird das Gas in dem Verdichter 1 weiterhin einer adiabatischen Verdichtung unterzogen. Da die isobarische spezifische Wärme des Wasserdampfs einen Wert hat, der im Wesentlichen gleich dem Doppelten des Wertes der Luft um eine repräsentative Temperatur (300 °C) in dem Verdichter ist, hat in diesem Fall der Wasserdampf eine Wärmekapazitäts-Wirkung gleichwertig der, die erzielt wird, wenn bei der Umwandlung in Luft eine Menge Luft, deren Gewicht ungefähr das Doppelte des Gewichts der zu verdampfenden Wassertropfen beträgt, als Arbeitsfluid erhöht wird. Insbesondere besteht eine Wirkung (Wärmeanstiegs-Unterdrückungswirkung) bei dem Absinken der Förderlufttemperatur T2' des Verdichters. So entsteht ein Vorgang, bei dem die Förderlufttemperatur des Verdichters durch Verdampfung von Wassertropfen in dem Verdichter sinkt. Da die Leistung des Verdichters gleich einer Differenz zwischen Enthalpien der Luft am Eingang und am Ausgang des Verdichters ist und die Enthalpie der Luft proportional zur Temperatur steigt, wenn die Lufttemperatur am Ausgang des Verdichters sinkt, kann die für den Verdichter benötigte Arbeit reduziert werden.
Die Temperatur des von dem Verdichter mit Druck beaufschlagten Arbeitsfluids (Luft) wird durch Verbrennung von Kraftstoff in der Brennkammer erhöht, anschließend strömt das Arbeitsfluid in die Turbine, in der es Expansionsarbeit leistet. Diese Arbeit wird als Wellenleistung der Turbine bezeichnet und ist gleich einer Differenz zwischen Enthalpien der Luft am Eingang und am Ausgang der Turbine. Die Zufuhrmenge des Kraftstoffs wird so geregelt, dass die Gastemperatur am Eingang der Turbine eine vorher bestimmte Temperatur nicht überschreiten kann. Beispielsweise wird eine Turbinen-Eingangstemperatur aus einer Abgastemperatur am Ausgang der Turbine und einem gemessenen Wert des Drucks Pcd am Ausgang des Verdichters berechnet, und der Kraftstoffdurchsatz zu dem Verdichter 5 wird so geregelt, dass der berechnete Wert gleich einem Wert sein kann, der erzielt wird, bevor die vorliegende Erfindung verwendet wird. Wenn eine solche konstante Regelung der Verbrennungstemperatur bewirkt wird, wird die Kraftstoffzufuhrmenge um eine Menge erhöht, die einem Absinken der Gastemperatur T2' am Ausgang des Verdichters entspricht, wie oben beschrieben. Wenn weiterhin die Verbrennungstemperatur unveränderlich ist und das Gewichtsverhältnis des eingespritzten Wassers annähernd mehrere Prozent bezüglich der Ein lassluft beträgt, da der Druck am Eingang der Turbine und der Druck am Ausgang des Verdichters annähernd gleich sind, bevor und nachdem die Einspritzung durchgeführt wurde, zeigt auch die Gastemperatur T4 am Ausgang der Turbine keine Änderung. Deshalb zeigt die Wellenleistung der Turbine vor und nach der Einspritzung keine Änderung. Da die Netto-Ausgangsleistung der Gasturbine eine Differenz der Leistung des Verdichters zu der Wellenleistung der Turbine ist, kann andererseits durch Anwendung der vorliegenden Erfindung die Netto-Ausgangsleistung der Gasturbine um eine Menge erhöht werden, die einer reduzierten Menge der Leistung des Verdichters entspricht.
Die elektrische Leistung QE der Turbine 2 wird erhalten, indem die Arbeit Cp (T2 – T1) des Verdichters 1 von der Wellenleistung Cp (T3 – T4) der Turbine 2 subtrahiert wird, und kann annähernd durch den folgenden Ausdruck (1) dargestellt werden: QE/Cp = T3 – T4 – (T2 – T1) (1)
Da der Vorgang so durchgeführt wird, dass die Verbrennungstemperatur T3 konstant sein kann, zeigt die Ausgangstemperatur T4 der Gasturbine normalerweise keine Änderung, und auch die Wellenleistung Cp (T3 – T4) der Turbine ist konstant. In diesem Fall wird, wenn die Verdichter-Ausgangstemperatur T2 aufgrund einer Mischung von Wassernebel auf T2' (<T2) fällt, ein Leistungsanstieg T2 – T2', der gleichwertig mit dem Absinken der Arbeit des Verdichters ist, erzielt. Der thermische Wirkungsgrad oder Gasturbine wird annähernd durch den folgenden Ausdruck (2) wiedergegeben:
Da T2'<T2, ist in diesem Fall der zweite Term auf der rechten Seite klein, und es ist ersichtlich, dass auch der thermische Wirkungsgrad durch Einspritzung von Wasser erhöht wird. Mit anderen Worten, während die Wärmeenergie Cp (T4 – T1) (der Zähler des zweiten Terms des Ausdrucks 2), die von einer Wärmekraftmaschine, d.h. der Gasturbine, aus dem System herausgeleitet wird, vor und nach Anwendung der vorliegenden Erfindung keinen großen Unterschied zeigt, erhöht sich die zugeführte Kraftstoffenergie Cp (T3 – T2') um einen Betrag, der gleich Cp (T2 – T2'), d.h. gleich einem Absinken der Arbeit in dem Verdichter ist. Da der Be trag das Absinkens der Arbeit des Verdichters gleich der Erhöhung der Ausgangsleistung ist, wie oben beschrieben, wird angenommen, dass die erhöhte Menge des Kraftstoffs im Wesentlichen vollständig zu einer Erhöhung der Ausgangsleistung der Gasturbine beiträgt. So liefert die erhöhte Menge der Ausgangsleistung einen thermischen Wirkungsgrad von 100%. Deshalb kann der thermische Wirkungsgrad der Gasturbine erhöht werden. So kann bei der vorliegenden Ausführungsform, um die Arbeit des Verdichters zu reduzieren, die im Stand der Technik, bei dem die Einlassluft gekühlt wird, nicht explizit offenbart ist, ein Anstieg der Gesamt-Ausgangsleistung der Gasturbine bewirkt werden, indem Wassernebel in die Einlassluft des Verdichters 1 gemischt wird. Während beim Stand der Technik, bei dem Wasser in den Eingang einer Brennkammer eingespritzt wird, ein Anstieg der Ausgangsleistung durch einen Anstieg der Arbeitsflüssigkeitsmenge angestrebt wird, sinkt der thermische Wirkungsgrad dagegen ab, da die Arbeit des Verdichters 1 nicht reduziert wird.
7 zeigt einen Wärmezyklus der vorliegenden Erfindung und einen anderen Wärmezyklus zum Vergleich. Das Gebiet eines geschlossenen Bereichs eines Zyklusdiagramms zeigt eine Gasturbinen-Ausgangsleistung pro Einheit des Einlassluft-Durchsatzes, d.h. eine spezifische Ausgangsleistung. Die Bezugszeichen in 7 bezeichnen das Arbeitsfluid an den entsprechenden Stellen der Zyklusdiagramme. In 7 bezeichnet das Bezugszeichen 1 den Eingang des Verdichters, 1' den Eingang zu einem Zwischenkühler von dem Verdichter der ersten Stufe, 1'' den Eingang des Verdichters der zweiten Stufe, nachdem das Arbeitsfluid den Zwischenkühler verlassen hat, 2 den Eingang der Brennkammer in einem Brayton-Zyklus, 2' den Eingang der Brennkammer, nachdem das Arbeitsfluid den Verdichter der zweiten Stufe verlassen hat, 3 den Eingang der Turbine, nachdem das Arbeitsfluid die Brennkammer verlassen hat, und 4 den Ausgang der Turbine.
Die Diagramme der Temperatur T bezogen auf die Entropie S im unteren Teil von 7 stellen vergleichend Kennlinien dar, in denen die Werte der Temperatur T bezogen auf die Entropie S an den Positionen 1, 3 und 4 der oben beschriebenen Zyklen fixiert sind.
Wie aus 7 ersichtlich ist, sinkt die Größe der spezifischen Ausgangsleistung in der folgenden Reihenfolge: diejenige, die erzielt wird, indem kleine Wassertropfen wie oben erwähnt in eine Einlassluftkammer eines Verdichters eingespritzt werden, um Wassertropfen durch den Eingang des Verdichters einzuführen, wie bei der vorliegenden Ausführungsform; diejenige, die durch einen Zwischenkühlungs-Zyklus erreicht wird, wie in der offengelegten japanischen Patentanmeldung HEI-6-10702 offenbart; und diejenige, die durch einen üblichen Brayton-Zyklus erzielt wird. Insbesondere resultiert die Differenz zwischen der spezifischen Ausgangsleistung durch den Zwischenkühlungs-Zyklus und der vorliegenden Erfindung daraus, dass gemäß der vorliegenden Erfindung die Wassertropfen, die in den Verdichter eingeführt werden, fortlaufend aus dem Eingangsabschnitt des Verdichters verdampft werden, und dies zeigt sich in den Formen der Zyklen.
Während der thermische Wirkungsgrad des Zwischenkühlungs-Zyklus dem des Brayton-Zyklus unterlegen ist, ist die vorliegende Ausführungsforn dem Brayton-Zyklus überlegen, wie oben beschrieben, und deshalb erreicht die vorliegende Erfindung einen höheren thermischen Wirkungsgrad als der Zwischenkühlungs-Zyklus.
Wenn die Position, an der eingespritzte Flüssigkeitstropfen in dem Verdichter 1 verdampft werden, sich dem Eingang des Verdichters 1 nähert, sinkt die die Lufttemperatur am Ausgang des Verdichters 1 insgesamt, was eine Überlegenheit bezüglich der Steigerung der Ausgangsleistung und des thermischen Wirkungsgrads bedeutet. Wenn das Verfahren angewandt wird, bei dem eingespritzte Flüssigkeitstropfen mit der Einlassluft 6 vermischt werden, erhöht sich dementsprechend die Wirkung, wenn die Partikeldurchmesser der eingespritzten Flüssigkeitstropfen sinken. Das liegt daran, dass Nebel rasch verdampft, nachdem er in den Verdichter 1 eingeströmt ist. Weiterhin schweben die eingespritzten Flüssigkeitstropfen in der Luft und werden reibungslos zusammen mit der Einlassluft in den Verdichter eingeführt.
Deshalb haben die von den Zerstäuberdüsen 11 eingespritzten Flüssigkeitstropfen vorzugsweise eine solche Größe, dass sie im Wesentlichen alle verdampft werden, bevor sie den Ausgang des Verdichters 1 erreichen. Praktisch kann die Größe der Flüssigkeitstropfen so sein, dass sie zu weniger als 100% verdampft werden, sondern bis zu einer Obergrenze, die durch den oben beschriebenen Aufbau erreicht werden kann. Im praktischen Einsatz werden die Flüssigkeitstropfen am Ausgang des Verdichters zu 90% oder mehr verdampft.
Wenn beispielsweise der Förderdruck P_cd des Verdichters 1 bei 0,84 MPa liegt, werden, wenn das Verdampfungsverhältnis berechnet wird, indem eine Korrelation zwischen Messwerten einer absoluten Feuchtigkeit am Ausgang des Verdichters 1 und einer anderen absoluten Feuchtigkeit an der Position eines Abgasventils, die nach den Umgebunsgbedingungen ge schätzt wird, berücksichtigt wird, die Flüssigkeitstropfen zu 95% oder mehr verdampft, bevor sie zum Ausgang des Verdichters gelangen.
Die Zeit, innerhalb derer die Luft durch den Verdichter strömt, ist kurz, und um zu ermöglichen, dass Flüssigkeitstropfen innerhalb der Zeit gut verdampfen, um die Verdampfungseffizienz zu steigern, beträgt der Partikeldurchmesser der Flüssigkeitstropfen vorzugsweise 30 μm mittlerer Sauter-Durchmesser (SMD) oder weniger.
Da die Zerstäuberdüsen, die Flüssigkeitstropfen von kleinem Partikeldurchmesser herstellen, eine Herstellungstechnik mit einem hohen Grad der Genauigkeit erfordern, ist zu beachten, dass die Untergrenze des Partikeldurchmessers durch eine technisch erreichbare Untergrenze festgelegt wird. Dementsprechend ist die Untergrenze des Partikeldurchmessers z.B. 1 μm.
Der Grund ist, dass es schwierig ist, die Flüssigkeitstropfen durch den Verdichter gut zu verdampfen, wenn die Flüssigkeitstropfen zu groß sind.
Die Menge der einzuführenden Flüssigkeitstropfen kann durch die Temperatur und die Feuchtigkeit oder durch einen Grad der Erhöhung der Ausgangsleistung eingestellt werden. Wenn eine Menge in Betracht gezogen wird, bei der eingespritzte Flüssigkeitstropfen innerhalb eines Bereichs von der Einspritzstelle zu dem Eingang des Verdichters verdampft werden, können Flüssigkeitstropfen in einer Menge eingespritzt werden, die gleich oder größer als 0,2 Gew.-% des Massendurchsatzes der Einlassluft ist. Die Obergrenze ist so bestimmt, dass die Funktionen des Verdichters gut aufrechterhalten werden können. Z.B. kann die Obergrenze auf 5 Gew.-% gesetzt werden, und der Einführungsbereich kann auf weniger als 5 Gew.-% gesetzt werden.
Während die Einstellung unter Berücksichtigung des Sommerhalbjahrs o.Ä. oder eines Trockenzustands o.Ä. möglich ist, um eine weitere Steigerung der Ausgangsleistung usw. zu erreichen, können Flüssigkeitstropfen in einer Menge eingeführt werden, die gleich oder höher als 0,8 Gew.-%, aber gleich oder niedriger als 5 Gew.-% ist.
Im Vergleich zu einer herkömmlichen Flüssigkeitstropfen-Einspritzvorrichtung der Art, bei der Flüssigkeitstropfen (z.B. 100 bis 150 μm usw.) nur in eingeführte Luft eingespritzt werden, um die Temperatur der Luft zu senken, die in den Eingang eines Verdichters eingeführt werden soll, und nach der Einspritzung das Wasser wiedergewonnen und wieder für eine Einspritzung verwendet wird, ist bei der vorliegenden Ausführungsform nur die Einspritzung einer kleinen Menge an Flüssigkeitstropfen erforderlich.
Die verbrauchte Menge an Einspritzwasser ist am höchsten, wenn die Ausgangsleistung, die bei hohen Temperaturen im Sommer sinkt, wieder auf eine Nenn-Ausgangsleistung gebracht werden soll. Die Menge an Druckluft, die verbraucht wird, wenn Luft bei der Bildung von Nebel zugeführt wird, kann nicht vernachlässigt werden und sollte vorzugsweise kleiner sein als die Ziel-Wasserverbrauchsmenge. Dementsprechend ist es nur dann wirtschaftlich sinnvoll, dass keine Luft zugeführt wird, um Flüssigkeitstropfen von dem oben genannten Partikeldurchmesser zu bilden, wenn die Partikeldurchmesser-Bedingung erfüllt ist.
Auf der Grundlage der vorliegenden Ausführungform kann eine Stromerzeugungsanlage zur Verfügung gestellt werden, die Abweichungen der Ausgangsleistung das ganze Jahr über verhindern kann, indem der Durchsatz des Nebels abhängig von der Umgebungstemperatur geregelt wird. Beispielsweise wird die Öffnung des Regelventils 15 so eingestellt, dass der Durchsatz des Nebels steigt, wenn die Temperatur der in den Verdichter einzuführenden Luft hoch ist, im Vergleich zu dem Durchsatz, wenn die Lufttemperatur niedrig ist.
Weiterhin wird das System vorzugweise so betrieben, dass die Flüssigkeitstropfen bei einem Betrieb mit gleicher Verbrennungstemperatur zugeführt werden. Dadurch können der thermische Wirkungsgrad und die Ausgangsleistung erhöht werden.
Weiterhin kann bei einer Gasturbine, die nicht zur Stromerzeugung verwendet wird, oder einer Gasturbine zur Erzeugung eines Drehmoments bei deren Antrieb die Verbrennungstemperatur gesenkt werden, um die Ausgangsleistung der Welle der Turbine zu senken. Insbesondere im Teillastbetrieb kann die vorliegende Ausführungsform verwendet werden, um Kraftstoff zu sparen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform kann die Ausgangsleistung in einem Bereich oberhalb eines Niveaus, auf das die Ausgangsleistung durch die Umgebungstemperatur beschränkt ist, abhängig von einer geforderten Last geregelt werden.
Weiterhin kann eine langlebige Gasturbine zur Verfügung gestellt werden, da die Ausgangsleistung erhöht werden kann, sogar wenn die Verbrennungstemperatur nicht erhöht wird.
Weiterhin kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform Gas in dem Verdichter gekühlt werden. Deshalb kann, wenn dieses für eine Entnahme aus dem Verdichter für die Kühlung der Schaufeln der Gasturbine verwendet wird, die Entnahmemenge für die Kühlung reduziert werden. Da die Menge des Arbeitsfluids in der Gasturbine hierdurch erhöht werden kann, können weiterhin ein hoher thermischer Wirkungsgrad und eine Steigerung der Ausgangsleistung erwartet werden.
In 1 kann das Last-Befehls-Signal Pd 25 auf einen Nennwert gesetzt werden, so dass der Durchsatz der eingespritzten Flüssigkeitstropfen automatisch geregelt werden kann.
Im Folgenden werden ein Betriebsverfahren und die Steuerung der Gasturbine beschrieben.
Wenn beabsichtigt ist, die Ausgangsleistung der Gasturbine zu erhöhen, werden der Schritt, die Menge der von den Zerstäuberdüsen 11 eingespritzten Flüssigkeit zu erhöhen, und der Schritt, die Menge des der Brennkamer zugeführten Kraftstoffs zu erhöhen, verwendet. Wenn dagegen beabsichtigt ist, die Ausgangsleistung der Gasturbine zu senken, wird die Menge der eingespritzten Flüssigkeit gesenkt und die Menge des der Brennkammer zugeführten Kraftstoffs gesenkt.
Wenn beabsichtigt ist, die Ausgangsleistung der Gasturbine zu erhöhen, wird die Menge des der Brennkammer zugeführten Kraftstoffs erhöht, nachdem die Menge der eingespritzten Flüssigkeit erhöht wurde. Wenn dagegen beabsichtigt ist, die Ausgangsleistung der Gasturbine zu senken, wird die Menge des der Brennkammer zugeführten Kraftstoffs gesenkt, bevor die Menge des von den Zerstäuberdüsen 11 eingespritzten Kraftstoffs gesenkt wird.
Ein Beispiel für einen Betrieb, wenn die Gasturbine in einem Grundlast-Betriebszustand ist, ist im Folgenden beschrieben.
Wenn ein Betrieb mit einer festgelegten Verbrennungstemperatur durchgeführt wird, kann die Betriebssteuerung wie folgt sein. Der Funktionsgeber 24 berechnet eine Einspritzwassermenge entsprechend einer angestrebten Ausgangsleistung auf der Grundlage eines Last- Befehlssignals Pd 25 und gibt einen Befehl aus, die Öffnung des Regelventils 15 zu vergrößern. Der Funktionsgeber 24 berechnet weiterhin eine Menge an verdichteter Luft, die nötig ist, um eine vorher bestimmte Menge Wasser durch das Regelventil 15 einzuführen, und die durch die Zerstäuberdüsen 11 eingespritzt wird und nötig ist, um vorher bestimmte Partikeldurchmesser zu erzielen, und gibt einen Befehl aus, die Öffnung des Regelventils 14 zu vergrößern. Dadurch wird wie vorher bestimmt verdichtete Luft durch das Regelventil 14 in die Zerstäuberdüsen 11 eingeführt. Dabei wird der Kraftstoffdurchsatz konstant gehalten. Anschließend wird die Abgastemperaturregelung aktiviert, um den Kraftstoffdurchsatz zu vergrößern, so dass die Verbrennungstemperatur (es kann ein Schätzwert verwendet werden) auf ihren angestrebten Wert gebracht werden kann.
Eine Abgastemperatur-Regelkurve, die einen angestrebten Wert für die Abgastemperatur während des Betriebs darstellt, kann von einer Funktion des Verdichter-Förderdrucks Pcd und der Einspritzmenge dargestellt werden oder kann eine übliche Regelkurve sein, die für einen Fall angewandt wird, wenn keine Einspritzung stattfindet. Oder es kann ein Wert verwendet werden, der erhalten wird, indem ein geeigneter Fehler zu einer angestrebten Abgastemperatur addiert wird, die aus einer üblichen Regelkurve geschätzt wird.
Wenn die so erreichte Ausgangsleistung der Gasturbine von ihrem angestrebten Wert abweicht, wird die Einspritzmenge gemäß dem oben beschriebenen Verfahren vergrößert, wenn die Ausgangsleistung erhöht werden soll, woraufhin die Abgastemperaturregelung aktiviert wird. Wenn die Ausgangsleistung verringert werden soll, wird dagegen zunächst der Kraftstoffdurchsatz reduziert und anschließend die Einspritzmenge gesenkt.
Wenn der Funktionsgeber 24 vorgesehen ist, der diese Regelung wie oben beschrieben bewirkt, kann die Ausgangsleistung eingestellt werden, während die Situation vermieden wird, dass die Verbrennungstemperatur ihren zulässigen Wert überschreitet.
Es ist zu beachten, dass, wenn die Ausgangsleistung gesenkt werden soll, das Senken der Einspritzmenge ausreichend langsam durchgeführt werden kann, im Vergleich zu der Erhöhung der Einspritzmenge, die durchgeführt wird, wenn die Ausgangsleistung erhöht werden soll, so dass der Kraftstoffdurchsatz entsprechend der Abgastemperaturregelung verringert wird, ähnlich wie bei der Erhöhung der Ausgangsleistung.
Um eine angestrebte Ausgangsleistung zu verwirklichen, kann an Stelle einer kontinuierlichen Änderung der Einspritzmenge wie oben beschrieben ein Vorgang durchgeführt werden, bei dem die Einspritzmenge auf einen vorher bestimmten Wert gesetzt wird, wobei ein Betrag des Anstiegs der Ausgangsleistung angestrebt wird, der auf gemessenen Werten der Umgebungsbedingungen wie der Umgebungstemperatur und -feuchtigkeit beruht. Beispielsweise wird die Einspritzmenge o.Ä. als Funktion der Umgebungstemperatur, der Feuchtigkeit und eines Anstiegsbetrags der Ausgangsleistung berechnet und auf einen gewünschten Wert gesetzt. Dadurch wird auch ein Betrieb mit konstanter Einspritzmenge möglich, bei dem die Einspritzmenge nicht in Abhängigkeit von einer geringen Änderung der Ausgangsleistung oder einer Änderung der Lufttemperatur geändert wird. Das vorliegende System wirkt dahingehend, dass die Betriebssteuerung erleichtert wird. Weiterhin werden vorzugsweise, nachdem nach dem oben beschriebenen Setzen eine vorher bestimmte Zeitspanne vergangen ist, die Umgebungsbedingungen wieder gemessen, und ein Neusetzen der Einspritzmenge wird durchgeführt, um eine Einstellung des Betrags des Anstiegs der Ausgangsleistung relativ leicht entsprechend den Umgebungsbedingungen zu ermöglichen.
Der oben beschriebene Betrieb der Gasturbine kann auch als Steuerung der Wassertropfen-Einspritzvorrichtung zum Einspritzen der Wassertropfen in die Einlassluft, die dem Verdichter 1 der Gasturbine zugeführt wird, aufgefasst werden. Wenn die Wassertropfen-Einspritzvorrichtung wie oben beschrieben betrieben wird, kann die oben beschriebene Wirkung bei einer Gasturbine erzielt werden, in der die Wassertropfen-Einspritzvorrichtung angeordnet ist.
Eine zweite Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten, oben beschriebenen Ausführungsform grundsätzlich dadurch, dass die Zerstäubervorrichtung für den Erhalt von Flüssigkeitstropfen mit kleinen Partikeldurchmessern wie oben beschrieben zusammen mit den Zerstäuberdüsen 11 vorgesehen ist. Beispielsweise umfasst die zweite Ausführungsform eine Einrichtung für die Zufuhr von Druckluft zu den Zerstäuberdüsen 11.
Im Einzelnen umfasst die vorliegende Ausführungsform zusätzlich zu den Zerstäuberdüsen 11, die mit der Speisewassereinrichtung 13 versehen sind, eine Luftzufuhreinrichtung 12 für die Zufuhr von Druckluft zu den Zerstäuberdüsen 11. Die Luftzufuhreinrichtung 12 umfasst einen Druckspeicher 29, der getrennt von dem Verdichter 1 vorgesehen ist, für eine Zufuhr von Druckluft, und umfasst einen Weg, durch den Druckluft von dem Druckspeicher 29 über das Regelventil 14 den Zerstäuberdüsen 11 zugeführt wird. Weiterhin umfasst die vorliegende Ausführungsform das Regelventil 14 zum Regeln des Gasdurchsatzes zu den Zerstäuberdüsen 11. Im Fall der vorliegenden Ausführungsform ist ein Regelventil 14a zum Regeln der Menge der Druckluft, die den Einspritzdüsen zugeführt wird, angeordnet.
Das Regelventil 14 und das Regelventil 15 sind elektrisch mit einem Funktionsgeber 24 verbunden, der über einen Zusatzabschnitt ein Signal auf der Grundlage der Ausgangsleistung des Generators 3 und ein Leistungsanforderungssignal Pd 25 empfängt und Öffnungssignale für das Regelventil 14, das Regelventil 15 usw. und andere Befehle ausgibt. Das Regelventil 14 und das Regelventil 15 sind z.B. durch ein Signalkabel 26 o.Ä. mit dem Funktionsgeber 24 verbunden. Fallabhängig kann das Leistungsanforderungssignal 25 direkt in den Funktionsgeber 24 eingegeben werden.
Die Einlassluft 6 gelangt durch die Jalousie 9 in die Einlassluftkammer 10, und Wasser aus dem Speisewasserbehälter 17 strömt durch das Regelventil 15 mit vorher bestimmter Öffnung und wird durch die Speisewassereinrichtung 13 den Zerstäuberdüsen 11 zugeführt. Weiterhin wird von dem Druckspeicher 29 produzierte Druckluft durch das Regelventil 14 mit vorher bestimmter Öffnung den Zerstäuberdüsen 11 zugeführt. Anschließend werden kleine Flüssigkeitstropfen von den Zerstäuberdüsen 11 eingespritzt. Die Düsen können von der Art sein, bei der die zugeführten Mengen von Luft und Flüssigkeit eingestellt werden können, um die Partikeldurchmesser in einem gewünschten Bereich innerhalb des oben beschriebenen Bereichs einzustellen. Die Einlassluft 6 enthält die Flüssigkeitstropfen zur Bildung eines Nebelstroms und strömt in den Verdichter 1, nachdem ein Teil des Nebelstroms verdampft ist, um die Einlassluft zu kühlen. Die in der Einlassluft enthaltenen Flüssigkeitstropfen werden im Inneren des Verdichters 1 verdampft und kühlen die verdichtete Luft.
Nachdem die Flüssigkeitstropfen im Wesentlichen in dem Verdichter 1 verdampft worden sind, wird der Kraftstoff mit der verdichteten Luft gemischt und in der Brennkammer 5 verbrannt, um Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck zu erzeugen, das anschließend in die Turbine 2 strömt und dort wirkt. Die mechanische Energie wird durch den Generator 3 in elektrische Energie umgewandelt, und die elektrische Energie wird dem elektrischen Stromnetz 4 zugeführt. Das Abgas 7 wird nach Beendigung der Arbeit durch den Kamin 8 in die Atmosphärenluft abgelassen.
Da der separate Druckspeicher 29 angeordnet ist, wird die Leistung des Verdichters nicht verringert, und zusätzlich zu den Wirkungen der Erhöhung der Ausgangsleistung der Gasturbine und der Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads der Gasturbine wird manchmal eine zusätzliche Wirkung vom Standpunkt einer Anordnung oder vom Standpunkt der Energieeinsparung erreicht.
Weiterhin kann der Druckspeicher 29 Gas von einem Zerstäubungs-Verdichter für eine Zufuhr von verdichteter Luft zuführen, obgleich dies in den Zeichnungen nicht gezeigt ist.
Bei den oben beschriebenen Düsen können diejenigen der Luftnebeldüsen mit innerer Vermischung, mit denen Flüssigkeitstropfen von einem gewünschten Partikeldurchmesser erhalten werden können, verwendet werden.
Beim Betrieb und bei der Steuerung der Gasturbine kann, wenn beabsichtigt ist, die Ausgangsleistung der Gasturbine zu erhöhen, zusätzlich zu der Erhöhung der eingespritzten Wassermenge wie oben beschrieben die Menge der Luft, die den Zerstäuberdüsen 11 zugeführt wird, erhöht werden, so dass der Partikeldurchmesser der von den Zerstäuberdüsen eingespritzten Flüssigkeitstropfen eine gewünschte Größe haben kann.
Wenn eine Senkung der Ausgangsleistung beabsichtigt ist, wird die Menge der Flüssigkeit, die den Zerstäuberdüsen 11 zugeführt wird, verringert, und die Menge der Luft, die den Zerstäuberdüsen 11 zugeführt wird, wird verringert, um den Partikeldurchmesser der Flüssigkeitstropfen einzustellen.
Weiterhin werden zur Vereinfachung des Betriebs nicht die Menge der Luft und die Menge der Flüssigkeit, die den Zerstäuberdüsen 11 zugeführt werden, eingestellt, sondern es kann nur die Menge der zugeführten Flüssigkeit eingestellt werden, während die Luftmenge festgelegt ist.
In diesem Fall wird die Menge der zugeführten Luft eingestellt, so dass ein gewünschter Partikeldurchmesser der Flüssigkeitstropfen erzielt werden kann, wenn eine zulässige Höchst menge an Flüssigkeit zugeführt wird. Deshalb wird, wenn die eingespritzte Flüssigkeitsmenge niedriger ist als die maximale Einspritzflüssigkeitsmenge, der Durchmesser der Flüssigkeitstropfen reduziert, im Vergleich zu dem, der erzielt wird, wenn die Wassermenge die maximale Einspritzwassermenge ist, und ein guter Zustand kann erzielt werden.
Weiterhin kann zusätzlich zu dem oben beschriebenen Druckspeicher 29 oder ohne dass der Druckspeicher 29 getrennt vorgesehen ist, der folgende Aufbau verwendet werden.
Die Luftzufuhreinrichtung 12 umfasst einen Weg, durch den die Entnahme von einer mittleren Stufe des Verdichters 1 zu den Zerstäuberdüsen 11 gelangt, oder einen anderen Weg, der von einem Weg abzweigt, entlang dem verdichtete Luft strömt, die von dem Verdichter 1 gefördert wurde und zu den Zerstäuberdüsen 11 gelangt. Der Weg umfasst ein Regelventil 14b zum Regeln der Menge an zugeführter Druckluft. Entsprechend einer Anforderung einer wirksamen Einspritzung oder einer ähnlichen Anforderung kann der Weg eine Kühleinrichtung 19 zum Einstellen der Temperatur der verdichteten Luft auf eine gewünschte Temperatur haben.
Dementsprechend kann, wenn die oben beschriebene Anordnung zusammen mit dem Druckspeicher 29 vorgesehen ist, die Leistung des getrennt installierten Druckspeichers 29 verringert werden, indem zunächst eine Entnahme aus der mittleren Stufe oder geförderte Luft verwendet wird und anschließend eine geringe Menge verdichtete Luft aus dem Druckspeicher 29 verwendet wird. Wenn der oben beschriebene Aufbau weiterhin an Stelle des Druckspeichers 29 verwendet wird, wird die Vorrichtung vereinfacht.
Bei dem Aufbau, bei dem verdichtete Luft aus der mittleren Stufe des Verdichters 1 oder verdichtete Luft, die von dem Verdichter 1 gefördert wird, zugeführt wird, um Flüssigkeitstropfen wie oben beschrieben zu zerstäuben, wird weiterhin bei einem Anlaufverfahren einer Anlage oder wenn die Umgebungstemperatur extrem niedrig ist, nur Zufuhrluft zugeführt. Dementsprechend kann in dem erstgenannten Fall ein Betrieb durchgeführt werden, bei dem die abgeführte Menge an NO_X geregelt wird, wogegen im letztgenannten Fall die Einlasslufttemperatur erhöht werden kann, und ein Betrieb kann durchgeführt werden, bei dem Vereisung verhindert wird.
Insbesondere wird bei dem Aufbau, der das oben beschriebene Regelventil 14b umfasst, das Regelventil 15 geschlossen, während nur das Regelventil 14b geöffnet ist, so dass nur eine gewünschte Menge an Flüssigkeitstropfen in die Einlassluft eingespritzt werden kann.
Wenn die Flüssigkeitstropfen von den Zerstäuberdüsen 11 zugeführt werden, können sie gleichmäßig in die Einlassluft eingespritzt werden, und die Temperaturverteilung der Einlassluft kann gleichmäßig gemacht werden.
Eine dritte Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform oder der zweiten Ausführungsform prinzipiell darin, dass sie weiterhin eine Wasserrückgewinnungsvorrichtung 31 aufweist, die an einem Auslassabschnitt der Turbine 2 angeordnet ist, und dass sie zur Wiedergewinnung von Wasser aus dem Turbinenabgas und zur Wiederverwendung des Wassers als Einspritzwasser weiterhin einen Weg für die Zufuhr von Wasser, das von der Wasserrückgewinnungsvorrichtung 31 wiedergewonnen wurde, zu dem Speisewasserbehälter 17 aufweist.
Für die Wiedergewinnungsvorrichtung können Vorrichtungen, die verschiedene Prinzipien wie die Dampfkondensation durch Kühlung oder physische Absorption nutzen, verwendet werden.
Die Einlassluft 6 strömt durch die Jalousie 9 und gelangt in die Einlassluftkammer 10, und Wasser, das von der Wasserrückgewinnungsvorrichtung 31 wiedergewonnen wurde, wird einmal in dem Wasserzufuhrbehälter gelagert und läuft anschließend durch das Regelventil 15 mit vorher bestimmter Öffnung und dann durch die Speisewassereinrichtung 13, so dass kleine Tropfen danach von den Zerstäuberdüsen 11 eingespritzt werden. Wenn Luftzufuhr von der Luftzufuhreinrichtung 12 nötig ist, um die kleinen Tropfen einzuspritzen, wird das Regelventil 14 gleichzeitig auf eine vorher bestimmte Öffnung gesetzt, um den Partikeldurchmesser der eingespritzten Flüssigkeitstropfen einzustellen. Die Einlassluft 6 enthält die Flüssigkeitstropfen zur Bildung eines Nebelstroms, und der tritt in den Verdichter 1 ein, nachdem ein Teil von ihm verdampft ist, um die Einlassluft zu kühlen. Die in der Einlassluft enthaltenen Flüssigkeitstropfen werden innerhalb des Verdichters 1 verdampft, um die verdichtete Luft zu kühlen.
Nachdem die Flüssigkeitstropfen im Wesentlichen in dem Verdichter 1 verdampft sind, wird Kraftstoff mit der Druckluft gemischt und in der Brennkammer 5 verbrannt, um Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck zu erzeugen, das anschließend in die Turbine 2 strömt und darin wirkt. Die mechanische Energie wird durch den Generator 3 in elektrische Energie umgewandelt, und die elektrische Energie wird dem elektrischen Stromnetz 4 zugeführt. Das nach Beendigung der Arbeit angefallene Abgas wird durch den Kamin 8 in die Atmosphärenluft abgeführt.
Mit der dritten Ausführungsform kann zusätzlich zu den Wirkungen der Erhöhung der Ausgangsleistung der Gasturbine und der Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads der Gasturbine Wasser wirksam genutzt und eine Wassereinsparung erreicht werden.
Es ist zu beachten, dass bei einer Gasturbinenanlage die einen Wärmerückgewinnungsboiler 30 umfasst, die Effizienz der Wasserrückgewinnung erhöht werden kann, indem die oben beschriebene Wasserrückgewinnungsvorrichtung 31 am Ausgang des Wärmerückgewinnungsboilers 30 angeordnet wird.
Eine vierte Ausführungsform wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
Die vierte Ausführungsform zeichnet sich gegenüber der ersten Ausführungsform oder der zweiten Ausführungsform dadurch aus, dass der Kraftstoff für die Brennkammer 5 verflüssigtes Naturgas (VNG) ist. Deshalb umfasst die vierte Ausführungsform zusätzlich zu dem Aufbau der ersten Ausführungsform oder der zweiten Ausführungsform einen Lagerungsabschnitt für verflüssigtes Naturgas, der auch als Kaltwärmequelle dient, und umfasst wie die Wasserrückgewinnungsvorrichtung 31 einen Wärmetauscher 32 zur Erhöhung der Temperatur des Naturgases, das von dem Lagerungsabschnitt für verflüssigtes Naturgas zugeführt wird, um das Naturgas zu verdampfen, sowie einen Weg zum Einführen des verdampften Naturgases in die Brennkammer 5. Der Wärmetauscher 32 wird installiert, um das Abgas der Gasturbine zu nutzen.
Weiterhin gewinnt der Wärmetauscher 32 Wasser aus dem Abgas zurück. Um Wasser aus dem Abgas rückzugewinnen und das Wasser als Einspritzwasser erneut zu nutzen, umfasst der Wärmetauscher 32 einen Weg für die Zufuhr des Wassers, das durch den Wärmetauscher 32 rückgewonnen wurde, zu dem Speisewasserbehälter 17.
Hier, wo ein Betrieb ähnlich dem der oben genannten Ausführungsformen durchgeführt wird, werden zusätzlich zu den Wirkungen der Erhöhung der Ausgangsleistung der Gasturbine und der Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads der Gasturbine Wirkungen erzielt, die dazu führen, dass eine Vorrichtung zur Verdampfung von VNG unnötig ist und dass Wasser rückgewonnen werden kann. Außerdem wird eine wirksame Nutzung nicht genutzter Energie erreicht.
Eine fünfte Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Die vorliegende Ausführungsform ist eine Gasturbine, die eine Kombination einer Wassereinspritzung in Einlassluft und einer Einlassluft-Kühlvorrichtung umfasst.
Die fünfte Ausführungsform ist eine Abwandlung der ersten Ausführungsform oder der zweiten Ausführungsform wie oben beschrieben, bei der eine Kühlschlange 35, die mit einer externen Kaltwärmequelle 36 verbunden ist, zusätzlich an der Rückseite der Jalousie 9 vorgesehen ist, und ein Kaltwärmemittel von einer Pumpe 42 zirkuliert wird. Die Kühlschlange 35 kann auch an der Vorderseite der Jalousie 9 angeordnet sein.
Einlassluft 6 strömt durch die Jalousie 9 und gelangt in die Einlassluftkammer 10, woraufhin sie gekühlt wird, wenn sie die Kühlschlange 35 passiert, und Wasser des Speisewasserbehälters 17 strömt durch das Regelventil 15 mit vorher bestimmter Öffnung und weiter durch die Speisewassereinrichtung 13, so dass anschließend kleine Flüssigkeitstropfen von den Zerstäuberdüsen 11 eingespritzt werden. Wo eine Luftzufuhr von der Luftzufuhreinrichtung 12 notwendig ist, um die kleinen Tropfen einzuspritzen, wird das Regelventil 14 gleichzeitig auf eine vorher bestimmte Öffnung gesetzt, um den Partikeldurchmesser der eingespritzten Flüssigkeitstropfen einzustellen. Die Einlassluft 6 enthält die Flüssigkeitstropfen zur Bildung eines Nebelstroms, und der Nebelstrom strömt in den Verdichter 1, nachdem ein Teil von ihm verdampft wurde, um die Einlassluft zu kühlen. Die in der Einlassluft enthaltenen Flüssigkeitstropfen werden im Inneren des Verdichters 1 verdampft, um die verdichtete Luft zu kühlen.
Nachdem die Flüssigkeitstropfen im Wesentlichen in dem Verdichter 1 verdampft worden sind, wird Kraftstoff mit der verdichteten Luft vermischt und in der Brennkammer 5 verbrannt, um Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck zu erzeugen, das in die Turbine 2 strömt und dort wirkt. Die mechanische Energie wird durch den Generator 3 in elektrische Energie umgewandelt, und die elektrische Energie wird dem elektrischen Stromnetz 4 zugeführt. Das nach Beendigung der Arbeit angefallene Abgas 7 wird durch den Kamin 8 in die Atmosphärenluft abgeführt.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird zusätzlich zu den Wirkungen der Erhöhung der Ausgangsleistung der Gasturbine und der Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads der Gasturbine, die von der Ausführungsform 1 erreicht werden, eine Erhöhung der Ausgangsleistung durch einen Synergieeffekt bewirkt, bei dem der Einlassluft-Massendurchsatz durch Kühlen der Einlassluft erhöht wird und die Arbeit des Verdichters 1 durch Einspritzung von Wasser verringert wird. Indem die Kapazität der Kühlschlange 35 so gesetzt wird, dass sie auf einen Taupunkt abkühlen kann, bei dem die Einlassluftkühlung wirksam arbeiten kann, kann typischerweise eine stark erhöhte Ausgangsleistung erzielt werden, während Wasser gespart wird. Die vorliegende Ausführungsform ist vorteilhaft, wo sie in einer Gegend verwendet wird, in der im Sommer mit Wasserknappheit zu rechnen ist.
Eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Die sechste Ausführungsform zeigt im Vergleich zu der ersten Ausführungsform oder der zweiten Ausführungsform klar, dass die Zerstäuberdüsen 11 in der Einlassluftkammer angrenzend an die Jalousie 9 angeordnet sind. 2 zeigt die Zerstäuberdüsen 11, um das Verständnis ihrer Position zu erleichtern. Während 2 eine Konstruktion zeigt, die die Luftzufuhreinrichtung 12 für die Zufuhr von mit Druck beaufschlagter Einlassluft umfasst, braucht eine solche Luftzufuhreinrichtung 12 wie in der Ausführungsform 1 nur dann nicht vorgesehen zu sein, wenn die gewünschten Flüssigkeitstropfen wie oben beschrieben erzielt werden.
Vom Standpunkt der Förderung der Verdampfung vor dem Strömen in den Verdichter 1 zur Erhöhung der Effizienz bei der Kühlung der Einlassluft sind die Zerstäuberdüsen 11 vorzugsweise so in einer beabstandeten Beziehung von dem Eingang des Verdichters 1 angeordnet.
Im Einzelnen beschrieben sind die Zerstäuberdüsen 11 in geeigneter Weise an einer der folgenden Positionen (11a oder 11b) angeordnet. 1. Wenn die Einlassluftkammer 10 einen Schalldämpfer 41 aufweist: (1) Die Zerstäuberdüsen 11a sind an der stromabwärtigen Seite des Schalldämpfers 41 angeordnet.
Dadurch kann auch verhindert werden, dass ein schallisolierendes Material des Schalldämpfers angefeuchtet wird. Die Zerstäuberdüsen 11 sind vorzugsweise in einem Abstand zu dem Verdichter angeordnet, wobei ein Flugabstand, bei dem Flüssigkeitstropfen verdampft sind, bevor sie in den Verdichter gelangen, eingerechnet wird. (2) Oder die Zerstäuberdüsen 11b sind an der stromaufwärtigen Seite des Schalldämpfers angeordnet.
Beispielsweise kann die Verteilung der Wassertropfen in der Einlassluft gleichmäßiger gemacht werden, bevor die Wassertropfen in den Verdichter eintreten, wenn die Zerstäuberdüsen 11b in der Nähe und an der stromabwärtigen Seite der Jalousie 9 in der Einlassluftkammer angeordnet sind. Wenn ein Abschnitt der Jalousie 9 sich über eine größere Breite als die Einlassluftkammer 10 an der stromabwärtigen Seite der Jalousie 9 erstreckt, oder in einem ähnlichen Fall, ist weiterhin die Installation oder Wartung der Zerstäuberdüsen 11 einfach. Wenn die Einlassluftkammer 10 keinen Schalldämpfer aufweist:
Die Zerstäuberdüsen 11 sind zwischen der Jalousie 9 und dem Eingang des Verdichters 1 angeordnet. Die Zerstäuberdüsen 11 sind vorzugsweise in einem Abstand zu dem Verdichter angeordnet, wobei ein Flugabstand, bei dem Flüssigkeitstropfen verdampft sind, bevor sie in den Verdichter gelangen, eingerechnet wird.
Die Einlassluft 6 passiert die Jalousie 9 und gelangt in die Einlassluftkammer 10, und anschließend strömt die Einlassluft 6 durch den Schalldämpfer, wenn ein Schalldämpfer vorhanden ist. Währenddessen strömt Wasser aus dem Speisewasserbehälter 17 durch das Regelventil 15 mit vorher bestimmter Öffnung und weiter durch die Speisewassereinrichtung 13, so dass kleine Flüssigkeitstropfen von den Zerstäuberdüsen 11 eingespritzt werden. Wenn eine Luftzufuhr von der Luftzufuhreinrichtung 12 nötig ist, um kleine Flüssigkeitstropfen einzuspritzen, wird das Regelventil 14 gleichzeitig auf eine vorher bestimmte Öffnung gesetzt, um die Partikelgröße der eingespritzten Flüssigkeitstropfen einzustellen. Die Einlassluft 6 enthält die Flüssigkeitstropfen, die einen Nebelstrom bilden, der in den Verdichter 1 strömt, nachdem er die Einlassluft gekühlt hat. Die in der Einlassluft enthaltenen Flüssigkeitstropfen werden im Inneren des Verdichters 1 verdampft und kühlen die verdichtete Luft.
Dadurch kann weiterhin eine Wiedergewinnung der Ausgangsleistung der Gasturbine durch einen Synergieeffekt der beiden Prinzipien der Erhöhung des Einlassluft-Massendurchsatzes und der Verringerung der Verdichterarbeit durch Kühlung der Einlassluft effizient durchgeführt werden.
Wenn die Einspritzdüsen an einer Stelle angeordnet sind, die einen geeigneten Abstand von dem Eingang des Verdichters in der Einlassluftkammer hat, zeigen sich, da ein Teil des eingespritzten Wassers verdampft wird, um die Einlassluft auf eine Temperatur in der Nähe der Temperatur des Verdunstungsthermometers zu kühlen, insbesondere ähnliche Wirkungen, obwohl im Vergleich zu den Wirkungen, die erzielt werden, wenn ein Luftkühler in einem Einlassluftströmungsweg angeordnet ist, einige Unterschiede vorhanden sein können. Das Arbeitsfluid des Verdichters 1 kann sowohl im Inneren des Verdichters 1 als auch außerhalb des Verdichters 1 wirksam gekühlt werden, und die Erhöhung der Ausgangsleistung kann größer gemacht werden, wenn der Abstand vorgesehen ist, als wenn die Zerstäuberdüsen 11 in der Nähe des Eingangs des Verdichters angeordnet sind.
5 und 6 stellen eine Zustandsänderung des Arbeitsfluids und ein Verhältnis zwischen der Einlasslufttemperatur und dem Einlass-Massendurchsatz bei dem Verfahren dar, wobei Luft von außen in den Verdichter 1 eingeführt wird bzw. von diesem verdichtet wird.
5 stellt eine Zustandsänderung dar, bei der die Umgebunggbedingungen auf 30 °C und 70% relative Feuchtigkeit (R.F.) gesetzt wurden.
Die Umgebungsbedingungen sind durch einen Punkt A dargestellt. Wenn angenommen wird, dass Außenluft entsprechend einer konstanten Temperaturlinie des Verdunstungsthermometers in einem psychometrischen Diagramm verdampfend gekühlt wird, bis sie einen Sättigungszustand erreicht, bevor sie in den Verdichter strömt, dann ändert sich der Zustand der Einlassluft zu einem Zustand B am Eingang des Verdichters 1. Die Feuchtigkeit des Gases, das durch Einspritzung von Flüssigkeitstropfen wie oben beschrieben in den Verdichter 1 eingeführt wird, wird vorzugsweise auf etwa 90% oder mehr erhöht, um die Verdampfung zu maximieren, bevor die Einleitung in den Verdichter erfolgt. Um eine bessere Kühlung der Einlassluft zu erreichen, sollte die Feuchtigkeit auf 95% oder mehr erhöht werden. Diejenigen Flüssigkeitstropfen, die nicht in der Einlassluftkammer 10 verdampft wurden, werden fortlaufend bei dem Verdichtungsverfahren von B nach C verdampft. Wenn angenommen wird, dass die Sättigung während des Verdampfungsverfahrens aufrechterhalten wird, wird das Sieden mit dem Zustand C vollendet, und bei dem Verfahren von C nach D wird die Einphasen-Verdichtung begonnen und die Temperatur steigt. Wenn angenommen wird, dass die Verdampfung ein isoentropischer Prozess ist, kommt der Siedeendpunkt zu einer Übersättigung des Zustands C'. Da die Verdampfungsrate aus Flüssigkeitstropfen endlich ist, wird davon ausgegangen, dass die Zustandsabweichung nicht-isothermisch ist und einer Ortskurve einer unterbrochenen Linie folgt, die von einer Sättigungslinie abweicht. Bei einem üblichen Verdichtungsverfahren dagegen folgt der Zustand der Ortskurve von A nach D'.
Wo in 5 die Temperatur bei A durch T1 dargestellt ist und die Temperatur bei B durch T1' dargestellt ist, vergrößert sich die Einlassluft-Durchsatzerhöhung, wenn die Temperatur von T1 auf T1' sinkt, von W auf W', wie schematisch in 6 dargestellt. Die verbleibenden Flüssigkeitstropfen werden in den Verdichter 1 eingeführt und dort verdampft, so dass sie zu der Verringerung der Arbeit des Verdichters 1 beitragen.
9 stellt ein Verhältnis zwischen der Wassertropfen-Einspritzmenge und der Erhöhungsgeschwindigkeit der Ausgangsleistung der Gasturbine dar. (a) in 9 stellt eine Änderung des ausgangsleistungsbezogenen Werts bezogen auf die Einlasslufttemperatur dar, und (b) in 9 stellt ein Verhältnis zwischen der Einspritzmenge und der Ausgangsleistungserhöhung dar.
Die dargestellten Werte werden erhalten, wenn die Berechnungsbedingungen z.B. 35 °C als Umgebungszustand, 53% relative Luftfeuchtigkeit, 417 kg/s VerdichterluftKapazitätskennlinie, ein polytropischer Verdichter-Wirkungsgrad von 0,915, ein adiabatischer Wirkungsgrad der Turbine von 0,89, 1.290 °C Verbrennungstemperatur, 20% Verdichterentnahmemenge, 1,48 MPa Förderdruck und 0,25 MPa Verdampfungsstufen-Druckabfall sind. Wenn Wasser bei Raumtemperatur eingespritzt wird, wird 0,35% des Einlassluftdurchsatzes in der Einlassluftkammer verdampft, bevor er in den Verdichter strömt. Dadurch erhöht sich, wenn die Einlasslufttemperatur fällt und die Dichte der Luft steigt, der Einlass-Massendurchsatz des Verdichters um mehrere %, was zu einer Ausgangsleistungserhöhung der Gasturbine führt. Das verbleibende eingespritzte Wasser begleitet die Luftströmung und wird in den Verdichter ge saugt, während es die Form von Flüssigkeitstropfen beibehält, wird in diesem verdampft und trägt zur Reduzierung der Arbeit des Verdichters bei.
Das Verhältnis der Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads bei einer 2,3%-igen Einspritzung hat einen relativen Wert von 2,8%. Die verbrauchte Wassermenge, die nötig ist, um die Ausgangsleistung der Gasturbine wieder auf eine Leistung zu bringen, die bei einem Basislastbetrieb bei 5 °C gezeigt wird, beträgt ungefähr 2,3 Gew.-% des Einlass-Massendurchsatzes. Die Einzelheiten der Ausgangsleistungserhöhung, wenn der Betrieb durchgeführt wird, bis die Ausgangsleistung der Gasturbine wieder auf einen maximalen Wert gebracht ist, werden grob folgendermaßen geschätzt: Der Abschnitt, der auf Kühlung vor dem Eintritt in den Verdichter 1 basiert, beträgt ungefähr 35%; der Abschnitt, der auf Kühlung durch Verdampfung im Innenren des Verdichters basiert, beträgt ungefähr 37%; und der Abschnitt, der auf einer Differenz der Menge des Arbeitsfluids basiert, das durch die Turbine und den Verdichter strömt, und der Erhöhung der niederdruckspezifischen Wärmekapazität, die aus dem in dem Arbeitsfluid enthaltenen Dampf resultiert, beträgt ungefähr 28%.
Obgleich dies nicht auf der Skala in 9 gezeigt ist, kann die Einspritzwassermenge weiter erhöht werden, so dass eine Erhöhung der Ausgangsleistung bis zu einem zulässigen Ausgangsleistungsniveau mit einem Einspritzdurchsatz von ungefähr 5 Gew.-% erzielt werden kann. Wenn die Einspritzmenge steigt, hat der Verdampfungsvorgang der Wassertropfen in dem Verdichter 1 durch einen Vorgang (Kühlungsvorgang) außerhalb des Verdichters 1 einen wachsenden Einfluss auf die Ausgangsleistungserhöhung.
12 stellt ein Verhältnis einer Differenz zwischen den Fördertemperaturen des Verdichters vor und nach der Einspritzung und der Einspritzmenge dar. Es ist ersichtlich, dass Verdampfung und Kühlung effizient mit einem niedrigen Durchsatz durchgeführt werden können, bevor Flüssigkeitstropfen in den Eingang des Verdichters 1 strömen. Die Feuchtigkeit, die die Einlassluft erreicht, die in den Eingang des Verdichters 1 strömt, liegt in der Nähe von ungefähr 95%. Die durchgezogene Linie zeigt eine Differenz zwischen der Temperatur des Gases am Ausgang des Verdichters 1 und der Temperatur vor der Einspritzung, berechnet unter zwei Bedingungen, dass die absolute Feuchtigkeit des Gases am Ausgang des Verdichters 1 und die Enthalpie des Gases am Ausgang des Verdichters 1, berechnet in der Annahme, dass Flüssigkeitstropfen, die in den Verdichter 1 strömen, vollständig verdampft werden, gleich diesen Werten vor der Einspritzung sind. Die Linie wird in der Annahme erhalten, dass keine Leis tungsverringerung stattfindet. Tatsächliche Werte, die durch leere Kreise (verbunden durch eine gestrichelte Linie zum besseren Verständnis) markiert sind, sind jedoch höher als die durch die Linie dargestellten Werte, und tatsächlich liegt eine Verringerung der Leistung vor. Der Grund ist, dass der Betrag, um den die Temperatur durch Verdampfung abfällt, in einem Verdichtungsschritt in einer Stufe nach dem Verdampfungspunkt erhöht wird.
Daraus wird auch geschlossen, dass die Verdampfungsmenge der durch die Zerstäuberdüsen 11 an der Seite der vorderen Stufe in den Verdichter 1 eingeführten Flüssigkeitstropfen vorzugsweise größer ist als die Verdampfungsmenge an der Seite der hinteren Stufe, und dass es zu einer Leistungsreduzierung führt, wenn die in den Verdichter 1 eingeführten Flüssigkeitstropfen prinzipiell an der Seite der vorderen Stufe verdampft werden.
Flüssigkeitstropfen werden in einer solchen Menge eingespritzt, dass die Temperatur der von dem Verdichter 1 geförderten verdichteten Luft um 5 °C oder mehr gegenüber der Temperatur vor der Einspritzung gesenkt wird. Um eine weitere Steigerung der Ausgangsleistung zu erreichen, wird die Menge der Flüssigkeitstropfen auf einen solchen Grad gesetzt, dass die Temperatur um 25 °C oder mehr gesenkt wird. Es ist zu beachten, dass die Obergrenze vom Standpunkt des Einsatzes in der Praxis bestimmt werden kann. Es ist beispielsweise sinnvoll, die Menge der Flüssigkeitstropfen so zu setzen, dass die Temperatur um 50 °C oder weniger gesenkt wird.
Eine siebte Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
Die siebte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform oder der zweiten Ausführungsform darin, dass sie einen Mechanismus aufweist, der die Temperatur der eingespritzten Flüssigkeitstropfen regeln kann.
Die siebte Ausführungsform ist beispielsweise eine kombinierte Anlage, und zusätzlich zu dem oben beschriebenen Aufbau der Gasturbine ist ein Wärmerückgewinnungsboiler 30 angeordnet, in dem Abgas aus der Turbine 2 als Wärmequelle verwendet wird. Weiterhin ist eine Dampfturbine vorgesehen, die durch von dem Wasserrückgewinnungsboiler 30 erzeugten Dampf angetrieben wird, obwohl dies nicht in 1 gezeigt ist. Weiterhin ist wenigstens ein Generator vorgesehen, der von der Gasturbine oder der Dampfturbine angetrieben wird. Die Luftzufuhreinrichtung 12 umfasst einen Weg für die Zufuhr von Dampf, der von dem Wärmerückgewinnungsboiler 30 erzeugt wird, zu den Zerstäuberdüsen 11, und ein Regelventil 14c ist in dem Weg angeordnet.
Die Einlassluft 6 strömt durch die Jalousie 9 und gelangt in die Einlassluftkammer 10, und Wasser aus dem Speisewasserbehälter 17 strömt durch das Regelventil 15 mit vorher bestimmter Öffnung und anschließend durch die Speisewassereinrichtung 13, so dass kleine Flüssigkeitstropfen von den Zerstäuberdüsen 11 eingespritzt werden. In diesem Fall wird die Dampfzufuhrmenge von dem Regelventil 14c geregelt.
Wenn zusätzlich verdichtete Luft den Zerstäuberdüsen 11 zugeführt wird, kann die Menge der verdichteten Luft weiterhin von dem Regelventil 14a geregelt werden, das in dem Weg von dem Druckspeicher 29 zu den Zerstäuberdüsen 11 vorgesehen ist.
Da die Heiztemperatur eingestellt werden kann, wird dementsprechend die Temperatur der eingespritzten Flüssigkeitstropfen usw. geregelt. Die Einlassluft 6 enthält die Flüssigkeitstropfen mit der gewünschten Temperatur zur Bildung eines Nebelstroms, der in den Verdichter 1 strömt, nachdem er die Einlassluft gekühlt hat. Die in der Einlassluft enthaltenen Flüssigkeitstropfen werden im Inneren des Verdichters 1 verdampft und kühlen die verdichtete Luft.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann zusätzlich zu der Erzielung einer Erhöhung der Ausgangsleistung der Gasturbine der Ausführungsform 1 und der Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads der Gasturbine die Verdampfungsrate der Flüssigkeitstropfen geregelt werden, indem die Temperatur der Einspritzflüssigkeit geregelt wird. Wenn die Wassertemperatur erhöht wird, kann die Verdampfung der Flüssigkeitstropfen zu der Seite der vorderen Stufe des Verdichters verlegt werden. Dementspechend kann die Arbeitsmenge des Verdichters 1 weiter reduziert werden. Während die Temperatur der eingespritzten Wassertropfen je nach den Bedingungen unterschiedlich ist, liegt der geeignete Bereich für den praktischen Einsatz bei 10 bis 80 °C. Als Verfahren zum Regeln der Wassertemperatur kann zusätzlich zu einem Verfahren, bei dem Dampf in die Einspritzdüsen gemischt wird, eine Regelung der Entnahmegastemperatur des Verdichters oder ein System, das eine Regelung unter Verwendung einer Temperatur-Regelungseinrichtung wie einer Heizvorrichtung 51 durchführt und das an einer geeigneten Stelle der Speisewassereinrichtung 13 vorgesehen ist, verwendet werden.
Wenn die oben beschriebene Luftzufuhreinrichtung 12 nicht vorgesehen ist, ist es wirkungsvoll, die Heizvorrichtung 51 vorzusehen. Bei dem in 1 gezeigten Verfahren, bei dem Dampf zugeführt wird, ist das Vorsehen der Heizvorrichtung 51 bei einer kombinierten Anlage wirkungsvoll, insbesondere bei einem kombinierten Kraft- und Heizwerk, da der Dampf wirksam verwendet werden kann. Die Heizvorrichtung 51 wirkt dahingehend, dass Dampf aus dem Wärmerückgewinnungsboiler 30 genutzt werden kann, sogar wenn keine getrennt vorgesehene Heizeinrichtung o.Ä. angeordnet ist. Es ist zu beachten, dass eine getrennte Dampferzeugungseinrichtung vorgesehen sein kann.
Es ist ebenfalls wirkungsvoll, eine brennbare Flüssigkeit mit einem hohen Dampf-Partialdruck in das Einspritzwasser zu mischen. Beispielsweise wird eine Mischung aus Wasser und Alkohol o.Ä. von den Zerstäuberdüsen 11 eingespritzt. Z.B. wird eine Frostschutzlösung verwendet. Wenn Glyzerin oder Ethylenglykol zu Wasser zugefügt wird, um Nebel zu bilden, ist die Effizienz der Reduzierung der Leistung des Verdichters hoch, da dieses bei einer niedrigen Temperatur flüchtig wird. Da der Gefrierpunkt fällt, können die Flüssigkeitstropfen sogar im Winter o.Ä. nicht vereisen.
Bei einem praktischen Aufbau in einer Jahreszeit wie dem Winter wird Glyzerin oder Ethylenglykol in den Speisewasserbehälter 17 zugefügt und als Gemisch in dem Speisewasserbehälter 17 gelagert.
Eine achte Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Die Gasturbine der vorliegenden Ausführungsform kann den thermischen Wirkungsgrad auch im Teillastbetrieb erhöhen.
Die achte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform oder der zweiten Ausführungsform prinzipiell dadurch, dass Dampf in die Einlassluft zugeführt wird, die in den Verdichter 1 eingeführt wird.
Im Einzelnen umfasst die Gasturbine einen Weg für die Zufuhr von Dampf, der von dem Wärmerückgewinnungsboiler 30 erzeugt wird, zu der Luftzufuhreinrichtung 12, so dass von den Zerstäuberdüsen 11 zugeführter Dampf eingespritzt werden kann.
Die Einlassluft 6 strömt durch die Jalousie 9 und gelangt in die Einlasskammer 10, und das Regelventil 15 wird geschlossen. Von dem Wärmerückgewinnungsboiler 30 erzeugter Dampf strömt durch das Regelventil 14c mit vorher bestimmter Öffnung und anschließend durch die Luftzufuhreinrichtung 12, so dass er von den Zerstäuberdüsen 11 eingespritzt wird. Wenn angenommen wird, dass die Luftzufuhrvorrichtung 12 nicht vorgesehen ist, sondern nur die Speisewassereinrichtung 13 vorgesehen ist, obgleich dies nicht gezeigt ist, kann die Gasturbine so aufgebaut sein, dass an Stelle von Zufuhrwasser aus dem Speisewasserbehälter 17 der Dampf von der Speisewassereinrichtung 13 den Zerstäuberdüsen 11 zugeführt wird. Obgleich dies nicht gezeigt ist, können zusätzlich zu den Zerstäuberdüsen 11 getrennt vorgesehene Dampfzufuhrdüsen angeordnet sein, denen Dampf zugeführt wird, der von dem Wärmerückgewinnungsboiler 30 erzeugt wird. Es ist zu beachten, dass die Menge, die Temperatur o.Ä. des Dampfs, der in die Einlassluft eingespritzt wird, gemäß einer angestrebten Temperatur der Einlassluft, die in den Verdichter 1 eintritt, geregelt werden, obgleich dies je nach Dampfquelle schwierig ist.
Die Einlassluft 6, deren Temperatur auf die gewünschte Temperatur geregelt wurde, strömt in den Verdichter 1.
Gemäß der achten Ausführungsform kann als Verfahren zur Erhöhung des thermischen Wirkungsgrads für einen Teillastbetrieb das folgende Verfahren verwendet werden.
Wenn beispielsweise im Winter oder in einer ähnlichen Jahreszeit eine Situation eintritt, bei der der Energiebedarf geringer ist und ein Teillastbetrieb nicht zu vermeiden ist, kann die Einlasslufttemperatur, die z.B. bei ungefähr 10 °C lag, auf ungefähr 50 °C erhöht werden, bevor sie in den Verdichter 1 eingeführt wird, indem Dampf wie oben beschrieben in die Einlassluft eingespritzt wird.
Da die Temperatur der Einlassluft erhöht werden kann, indem Dampf in den Eingang des Verdichters eingespritzt wird, verringert sich die Dichte der Luft, und der Einlass-Massendurchsatz des Verdichters verringert sich, und dementsprechend kann die Ausgangsleistung der Gasturbine reduziert werden, während ein Absinken des thermischen Wirkungsgrads verhindert wird. Dies liegt daran, dass der Basislastbetrieb durchgeführt werden kann, während ein Teillastbetrieb der Gasturbine vermieden wird.
Die vorliegende Ausführungsform ist wirksam, wenn der Bedarf jahreszeitbedingt reduziert ist, da, sogar wenn die geforderte Last sinkt und die Ausgangsleistung reduziert werden soll, der Betrieb mit einem thermischen Wirkungsgrad durchgeführt werden kann, der höher ist als der in einem herkömmlichen Teillastbetrieb durch Steuerung der Einlassleitschaufel o.Ä. erreichte. Insbesondere bei einer Anlage, bei der Dampf unter Verwendung von Abgas einer Gasturbine erzeugt wird, wie bei einer Anlage mit kombiniertem Zyklus oder einem kombinierten Kraft- und Heizwerk, kann auch eine wirksame Nutzung des überschüssigen Dampfs erreicht werden, da Restdampf zur Erzeugung verwendet werden kann.
Es ist zu beachten, dass fallabhängig an Stelle der Verwendung von Dampf aus einem Wärmerückgewinnungsboiler eine getrennte Dampferzeugungseinrichtung vorgesehen sein kann.
Eine neunte Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
Die vorliegende Ausführungsform weist zusätzlich zu der ersten Ausführungsform oder der zweiten Ausführungsform eine Einrichtung wie eine Düse auf, um einer mittleren Stufe eines Verdichters Druckluft zuzuführen.
Ein Grundaufbau ähnlich dem der oben beschriebenen ersten Ausführungsform kann bei der neunten Ausführungsform angewandt werden. Ein Strömungsregelungsventil 47 ist in einer Leitung 59 für die Zufuhr von verdichteter Luft, die von einer Quelle 43 für verdichtete Luft zugeführt wird, zu einer mittleren Stufe des Verdichters 1 vorgesehen. Die Quelle 43 für verdichtete Luft kann Luft von einem außen angebrachten Verdichter oder einem Zerstäubungsverdichter für eine Kraftstoffeinspritzung zuführen. Obgleich die Wirkung etwas schwächer ist, kann Luft von einem Auslasspunkt des Verdichters 1 rezirkuliert werden. Da eine niedrigere Temperatur der Entnahme einen höheren thermischen Wirkungsgrad bedeutet, ist in diesem Fall vorzugsweise eine Kühleinrichtung 48 in der Mitte der Zufuhrluftleitung 59 vorgesehen.
Wenn die Flüssigkeitstropfen 37 verdampft werden, um die Luft in dem Verdichter 1 zu kühlen, wird die Dichte der Luft höher, und dementsprechend sinkt eine Axialgeschwindigkeit 46. Dementsprechend ist das Geschwindigkeitsdreieck verzerrt, wie in 10 zu sehen, und der Einfallswinkel eines Luftstroms zu einer Schaufel 45 ist von einem gewünschten Wert versetzt, wie von 46a zu 46b, und ein Strom in umgekehrter Richtung entsteht längs der Flä che der Schaufel. Dementsprechend sinkt der adiabatische Wirkungsgrad des Verdichters 1. Wenn der adiabatische Wirkungsgrad fällt, steigt die Fördertemperatur des Verdichters 1, was dazu führt, dass die Wirkung der Reduktion der Arbeit des Verdichters sinkt. Da angenommen wird, dass diese Erscheinung stärker wird, wenn die Einspritzwassermenge steigt, wird in einer praktischen Phase die Einspritzmenge begrenzt. Um dies zu beseitigen, sollte die Axialgeschwindigkeit wiederhergestellt werden, indem Luft in den Verdichter 1 eingeführt wird. Als Position, an der Luft eingeführt wird, wird wirksamerweise eine Position ausgewählt, an der die Verdampfung der Wassertropfen im Wesentlichen abgeschlossen ist. Vorzugsweise wird die Zufuhrluftmenge als Funktion der Einspritzmenge ausgewählt, so dass die Axialgeschwindigkeit auf ihrem festgelegten Wert gehalten werden kann, sogar wenn die Einspritzmenge sich ändert.
Die Öffnung des Regelventils 15 für eine Wassermenge und die Öffnung des Strömungsregelventils 47 werden durch ein Befehlssignal von dem Funktionsgeber 24 als Reaktion auf eine Erhöhung einer angestrebten Ausgangsleistung auf der Grundlage des Energiebedarfssignals 25 vergrößert.
Die Menge des von dem Regelventil 15 zugeführten Wassers und die Menge der verdichteten Luft, die von dem Strömungsregelventil 47 zugeführt wird, können im Verhältnis einer monoton wachsenden Funktion stehen.
Bei einem Absinken der Ausgangsleistung werden die Öffnungen der oben genannten Ventile so geregelt, dass sie kleiner werden.
Durch den Aufbau wird die Beschränkung der Einspritzmenge verringert, und die Breite des Leistungsabfalls des Verdichters pro Einheit des Luftdurchsatzes vergrößert sich, da keine Abschwächung der adiabatischen Wirkung hervorgerufen wird. Außerdem tritt der Effekt auf, dass die Erhöhung der Ausgangsleistung der Gasturbine verstärkt wird, indem die Menge der Betriebsflüssigkeit durch Luftzufuhr ansteigt.
Eine zehnte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
Die vorliegende Ausführungsform ist so aufgebaut, dass bei einer Gasturbine der Bauweise, bei der eine Entnahme aus dem Verdichter 1 in einen Kühl-Strömungsweg zugeführt wird, der in einer Turbinenschaufel ausgebildet ist, um die Turbinenschaufel zu kühlen, der Entnahmedurchsatz abhängig von der Temperatur der Entnahme aus dem Verdichter geregelt wird.
Anstatt verdichtete Luft einer mittleren Stufe des Verdichters 1 der Bauweise zuzuführen, bei der eine Turbinenschaufel gekühlt wird, kann der Durchsatz nach der Entnahmestufe wesentlich erhöht werden, indem die Entnahmemenge aus einer Entnahmeleitung 56 des Verdichters 1 gesenkt wird, die für die Kühlung der Turbinenschaufel vorgesehen ist, entsprechend einem Absinken der Temperatur des Entnahmegases.
Zu diesem Zweck wird ein Strömungsregelungsventil 55 oder ein Motorventil, bei dem eine mittige Öffnung gesetzt ist, in der Entnahmeleitung 56 vorgesehen.
Wenn Wassertropfen verdampft werden, um die Luft in dem Verdichter 1 zu kühlen, kann die Menge an Luft, die für die Entnahme aus dem Verdichter zum Kühlen der Schaufeln der Turbine erforderlich ist, gering sein, da auch die Temperatur der Entnahme sinkt. Die Entnahme kann ein Verhältnis einer monoton fallenden Funktion haben, wobei das Strömungsregelungsventil 55 ein Befehlssignal von einem Entnahmemenge-Regelungs-Funktionsgeber 58 abhängig von einem Sinken einer angestrebten Entnahmemenge auf der Grundlage eines Temperatursignals einer Temperatur-Erfassungseinrichtung 57, die die Temperatur der Entnahme erfasst, verwendet.
Wenn ein Motorventil verwendet wird, bei dem eine mittige Öffnung gesetzt ist, wird die Öffnung des Ventils auf einen vorher bestimmten Wert geregelt, abhängig von einer Temperatur, wenn die Entnahmetemperatur einen vorher gesetzten Wert erreicht.
Da die Menge der Luft des Verdichters in einer dem Entnahmepunkt folgenden Stufe erhöht werden kann, indem die Entnahmemenge gesenkt wird, wird die Axialgeschwindigkeit wiedergewonnen, der adiabatische Wirkungsgrad des Verdichters wird erhöht, die Temperatur des Gases am Ausgang des Verdichters sinkt und die Leistung des Verdichters pro Luftmengeneinheit sinkt. Da die Menge der Luft, die der Turbine zugeführt wird, steigt, erhöht sich die Wellenleistung. Diese Vorgänge erhöhen sowohl die Ausgangsleistung als auch den Wärmewirkungsgrad weiter.
Was die Ausführungsformen betrifft, die die oben beschriebene Gasturbine betreffen, so können sie bei einer Anlage mit kombiniertem Zyklus angewandt werden, die die Gasturbine verwendet und einen Wärmerückgewinnungsboiler, der Dampf erzeugt, indem er Abgas von der Turbine als Wärmequelle nutzt, sowie eine Dampfturbine umfasst, die von dem durch den Wärmerückgewinnungsboiler erzeugten Dampf angetrieben wird.
Dementsprechend kann eine Erhöhung der Ausgangsleistung und eine Erhöhung des Wärmewirkungsgrads der Anlage mit kombiniertem Zyklus durch eine solche einfache Vorrichtung erreicht werden, die für einen praktischen Einsatz wie oben beschrieben geeignet ist.
Weiterhin kann, sogar wenn jede der Ausführungsformen als einzelne Einheit eines Verdichters betrachtet wird, eine Reduzierung der benötigten Leistung des Verdichters durch eine einfache Vorrichtung erreicht werden.
Wenn solche kleinen Flüssigkeitstropfen wie oben beschrieben in die Einlassluft eingespritzt werden, die dem Eingang eines Verdichters zugeführt wird, so dass sie in dem Verdichter verdampft werden, können insbesondere die folgenden, oben beschriebenen prinzipiellen Wirkungen erzielt werden. In diesem Fall kann als Gas, das dem Verdichter als Einlassluft zugeführt wird, Ammoniak, Freon usw. zusätzlich zu Luft verwendet werden. Weiterhin können für die eingespritzten Flüssigkeitstropfen, wenn Luft verwendet wird, Wasser usw. verwendet werden, wie bei den oben genannten Beispielen für die Gasturbine angeführt. Im Fall eines Verdichters, bei dem Ammoniak als Einlassluft verwendet wird, kann flüssiger Ammoniak eingespritzt werden, wenn dagegen Freongas als Einlassluft verwendet wird, kann flüssiges Freon eingespritzt werden.
Im Vergleich dazu wird bei einem alternativen Fall, bei dem Flüssigkeitstropfen und Nebel nicht der Einlassluft beigemischt werden, die in den Verdichter eintritt, ein Teil von ihnen verdampft, um die Einlassluft zu kühlen, bevor sie in den Eingang des Verdichters 1 eintritt, während Wassertropfen fortlaufend aus dem Eingangsabschnitt des Verdichters verdampft werden können, und dementsprechend zeigt die Gastemperatur in dem Verdichter ein fortlaufendes Absinken. Auch die Fördertemperatur sinkt. Wenn die in den Verdichter eingeführten Flüssigkeitstropfen in dem Verdichter verdampft werden, um den Massendurchsatz zu erhöhen, und anschließend die Verdampfung in dem Verdichter im Wesentlichen abgeschlossen wird, wird das Gas in dem Verdichter weiterhin einer adiabatischen Verdichtung unterzogen, und es tritt eine Wirkung ähnlich der einer Erhöhung der Menge des Arbeitsfluids auf. Wenn die Einspritzmenge erhöht wird, kann auch das Verdichter-Leistungs-Verhältnis (isoentropische Verdichtungsarbeit von Trockenluft/Verdichtungsarbeit in einem isoentropischen zweistufigen Verdichtungsverfahren mit Verdampfung von Flüssigkeit) weiter reduziert werden.
Sogar wenn jede der oben beschriebenen Ausführunsgformen als eine Flüssigkeitstropfen-Einspritzvorrichtung zum Einspritzen von Flüssigkeitstropfen in die Einlassluft des Verdichters der Gasturbine betrachtet wird, kann eine Erhöhung der Ausgangsleistung und eine Erhöhung der thermischen Beanspruchung der Gasturbine, die die Vorrichtung umfasst, mit einer einfachen Vorrichtung verwirklicht werden.
Nachdem die Erfindung nun vollständig beschrieben wurde, ist es für den Durchschnittsfachmann ersichtlich, dass viele Änderungen und Abwandlungen an dieser durchgeführt werden können, ohne von dem Gedanken und dem Schutzbereich der Erfindung, wie durch die Patentansprüche definiert, abzuweichen.

Claims

Flüssigkeitströpfchen-Einspritzvorrichtung für eine Gasturbine, wobei die Gasturbine einen Kompressor, eine Brennkammer und eine Turbine umfasst, wobei die Flüssigkeitströpfchen-Einspritzvorrichtung stromaufwärts des Kompressors (1) angeordnete Zerstäubungsdüsen (11), eine mit den Zerstäubungsdüsen (11) verbundene Speisewassereinrichtung (13) und eine Steuereinrichtung (24) zur Steuerung der Menge von Flüssigkeitstropfen umfasst, die in die dem Kompressor (1) zuzuführende Einlassluft eingespritzt wird, wobei die Steuervorrichtung (24) die Menge an Flüssigkeitströpfchen so steuert, dass – die Flüssigkeitströpfchen in der Einlassluft teilweise verdampft werden, um die in den Kompressor (1) zuzuführende Einlassluft zu kühlen, und – die verbleibenden eingespritzten Flüssigkeitstropfen in den Kompressor (1) zusammen mit der Einlassluft zugeführt werden und in dem Kompressor (1) weiter verdampft werden.
Flüssigkeitströpfchen-Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitströpfchen-Einspritzvorrichtung Flüssigkeitströpfchen einspritzt, die hauptsächlich einen Tröpfchendurchmesser von 1 μm bis 50 μm haben.
Flüssigkeitströpfchen-Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (24) die Menge an einzuspritzenden Flüssigkeitströpfchen abhängig von einer Umgebungstemperatur steuert.
Flüssigkeitströpfchen-Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (24) die Menge an Flüssigkeitströpfchen so steuert, dass die Menge gleich 0,2 bis 5,0 Gewichts % des Massenströmungsdurchsatzes der Luft ist.
Flüssigkeitströpfchen-Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (24) die Menge an einzuspritzenden Flüssigkeitströpfchen abhängig von einer Leistung der Gasturbine steuert.
Flüssigkeitströpfchen-Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Druckgas-Zufuhrvorrichtung für eine Zufuhr von unter Druck gesetztem Gas zur Zerstäubung der Flüssigkeitströpfchen.
Flüssigkeitströpfchen-Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerstäubungsdüsen (11) stromabwärts eines Filters oder einer Jalousie angeordnet sind, der bzw. die stromaufwärts des Kompressors angeordnet ist.