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Verfahren und Vorrichtung zum Vermeiden korrodierender Bestandteile
im Arbeitsmedium von Gasturbinen Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Gasturbinen.
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In Gasturbinenanlagen, die nach dem offenen oder gemischten Kreisprozeß
arbeiten, wird der jeweils verwendete Brennstoff direkt in Luft verbrannt, die auf
einen geeigneten, über dem Atmosphärendruck gelegenen Druck verdichtet wird, und
die entstehenden Verbrennungsprodukte bilden zusammen mit zusätzlicher Beimischungsluft
das Arbeitsmedium, welches in einer oder mehreren Turbinen expandiert und auf diese
Weise Nutzenergie erzeugt. Bei solchen Kreisprozessen müssen, zum Unterschied vom
geschlossenen KreisprozeB, bei welchem Luft bzw. ein anderes geeignetes Gas nur
in Umlauf gebracht und in der oder den Turbinen expandiert wird, die Verbrennungsprodukte
für die Turbine und andere damit verbundene Bauteile geeignet sein, d. h. sie dürfen
beispielsweise nicht Bestandteile enthalten, die, wenn sie auf den Turbinenschaufeln
oder in anderen Kanälen abgelagert werden, diese ganz oder teilweise verstopfen,
noch sollen sie vorzugsweise die Werkstoffe, aus welchen die Turbine und die anderen
Bauteile hergestellt sind und durch welche sie mit dem Arbeitsmedium hindurchgeführt
werden, chemisch angreifen.
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Eine solche Ablagerung von oder Angriff durch die chemischen Bestandteile
der Verbrennungsprodukte
resultiert in erster Linie aus der vollkommenen
bzw. teilweisen Verbrennung bestimmter chemischer Bestandteile, die im Brennstoff
oder in der zu seiner Verbrennung benutzten Luft enthalten sind. Solche chemischen
Bestandteile sind unglücklicherweise oft in den billigen Brennstoffen, deren Verwendung
vom wirtschaftlichen Standpunkt aus wünschenswert ist, enthalten. Ihre schädlichen
Wirkungen hängen jedoch ganz oder teilweise von ihrer Temperatur ab. Beispielsweise
können bei der Verbrennung des Brennstoffs bestimmte Produkte einer ganzen oder
teilweisen Verbrennung in Form eines Gases oder einer Flüssigkeit auftreten und
in diesem Zustand beim Austritt aus der Verbrennungskammer oder beim Eintritt in
die Turbine im Arbeitsmedium verbleiben und mit der Temperaturabnahme des Arbeitsmediums
infolge von Wärmeverlust oder infolge der Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit
ihren Zustand vom gasförmigen zum flüssigen oder vom flüssigen zum zähflüssigen
bzw. festen Zustand verändern. Während infolgedessen solche Bestandteile im gasförmigen
oder sogar im flüssigen Zustand frei durch die Kanäle der Turbine und die dazugehörigen
Ausrüstungen, wie beispielsweise den Wärmeaustauscher, hindurchpassieren können,
können dieselben in zähflüssigem oder festem Zustand auf den Flächen, von denen
solche Kanäle gebildet werden, abgelagert werden und eine vollständige oder teilweise
Verstopfung derselben verursachen und dementsprechend Leistungsverlust und/oder
Wirkungsgradverlust zur Folge haben.
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Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Vermeidung oder Verhinderung
der schädlichen Wirkungen der Bestandteile im Arbeitsmedium, die von der Verbrennung
des Brennstoffs herrühren oder die mit der Verbrennungsluft und/oder Zusatzluft
eingebracht werden.
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Die Erfindung besteht in einem Verfahren zur Vermeidung der schädlichen
Einflüsse der Bestandteile im Arbeitsmedium einer Gasturbine, das dadurch gekennzeichnet
ist, daß ein Abscheiderelement in einen Arbeitsmediumstrom hinter der Verbrennung
und vor seinem Eintritt in die Turbine eingeschaltet wird, wobei das genannte Element
die Umrisse von entsprechenden Kanälen bildet, durch welche das Arbeitsmedium hindurchgeführt
wird, wobei ferner dasselbe eine Form aufweist und aus einem Material besteht, welche
gewährleisten, daß die Bestandteile im Arbeitsmedium, die sich auf der Turbine und/oder
ihren zugehörigen Bestandteilen, beispielsweise einem Wärmeaustauscher, ablagern
bzw. sie angreifen würden, ganz oder teilweise niedergeschlagen werden 'und/oder
wobei ihre chemische Angriffsintensität ganz oder teilweise von diesen Flächen aufgenommen
wird und wobei die Verbrennungsprodukte danach eine zweite Verbrennungskammer passieren,
in der sie durch die Verbrennung weiteren Brennstoffs auf höhere Temperatur gebracht
werden.
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Die Erfindung besteht weiterhin in einem wie im vorstehenden Abschnitt
dargelegten Verfahren, wobei jeweils das Verhältnis des Brennstoffs zur Luft so
festgelegt ist, daß die Verbrennungsprodukte in den Abscheider innerhalb eines vorgeschriebenen
Temperaturbereiches eintreten. Die Erfindung besteht ferner in einer Einrichtung
zur Anwendung des in jedem der beiden vorstehenden Abschnitte dargelegten Verfahrens.
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Die Erfindung besteht weiterhin in einer wie im vorstehenden Abschnitt
dargelegten Einrichtung, wobei ein gegabelter Verbrennungskammeraustritt Anwendung
findet, der in jedem Gabelstück ein Abscheiderelement aufweist und der ein oder
mehrere Ventile zum Umschalten des Durchflusses zum jeweiligen Gabelstück besitzt.
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Die Erfindung besteht endlich in einer wie in jedem der beiden vorstehenden
Abschnitte dargelegten Einrichtung, wobei die Abscheiderelemente die Form von Hohlschaufeln
oder Röhren haben.
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Unter Bezug auf die Schemazeichnungen stellt dar Fig. i die einfachste
Anwendung vorliegender Erfindung, Fig. 2 eine abgewandelte Anordnung, Fig. 3, q.
und 5 drei jeweils verschiedene Formen von Abscheiderelementen, die in Verbindung
mit vorliegender Erfindung verwendet werden können.
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In Ausführung der Erfindung gemäß einer geeigneten, an Hand eines
Beispiels in Fig. i dargestellten Form passiert Luft von einem Verdichter C durch
einen Wärmeaustauscher H, wo sie Wärme von den Auspuffgasen, die von einer Turbine
T ausgestoßen werden, aufnimmt. Nach Verbrennung in einer Verbrennungskammer CC
i passieren die Verbrennungsprodukte durch einen Abscheider E, und die Bestandteile,
die an der Turbinenbeschaufelung oder Hilfsausrüstung, wie z. B. dem Wärmeaustauscher,
anhaften würden, werden auf den Flächen des genannten Abscheiders abgelagert. Weiterhin
ist eine oder mehrere weitere Verbrennungskammern vorgesehen, wobei das Abscheiderelement
jeweils zwischen zwei Stufen des Verbrennungsprozesses eingeschaltet ist. In der
ersten Stufe findet die Verbrennung des Brennstoffes statt, die zur Entstehung der
chemischen Bestandteile führt, die ohne die Wirkung des Abscheiders sich auf der
Turbine und/oder ihren zugehörigen Bestandteilen absetzen oder dieselben chemisch
angreifen würden. Da aber die Temperatur der Verbrennungsprodukte und der allenfalls
in denselben befindlichen Bestandteile nach Passieren des Abscheiders entweder auf
Grund des jeweiligen Brennstoffverbrennungsgrades oder, wie bereits beschrieben,
infolge Abkühlung beim Passieren durch das Abscheiderelement nicht zur Erlangung
der geforderten Wirksamkeit der Anlage ausreicht, werden eine oder mehrere weitere
Verbrennungsstufen vorgesehen, in denen vorzugsweise ein Brennstoff Verwendung findet,
der frei von Bestandteilen ist, die Anlaß zu Niederschlägen oder chemischem Angriff
beim Durchgang durch die Turbine und/oder ihre zugehörigen Bestandteile geben. Auf
diese `'eise kann die Temperatur auf den jeweils erforderlichen Grad gesteigert
werden, ohne daß im wesentlichen zu den Verbrennungsprodukten des Arbeitsmediums
unerwünschte Bestandteile hinzugefügt werden. Wie aus Fig. i ersichtlich, findet
die Verbrennung in zwei Stufen statt, eine vor dem Abscheider in der Verbrennungskammer
CC i und die andere in einer Verbrennungskammer CC 2, die hinter dem Abscheider
folgt. Danach werden die Verbrennungsprodukte in der Turbine T expandiert, und
dann
werden sie durch den Wärmeaustauscher H in die Atmosphäre geleitet.
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Der ProzeB erlaubt in der oder den ersten Verbrennungsstufen den Gebrauch
von Brennstoffarten, die im allgemeinen billiger als jene sind, die bei der Verbrennung
keine Produkte entstehen lassen, die sich schädlich auf den Wirkungsgrad und/oder
die Wirksamkeit der Turbine und der ihr zugehörigen Bestandteile auswirken.
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In den besonderen Anwendungen oder der Zusammenfassung von Anwendungen,
die in Fig. i dargelegt sind, kann der Abscheider E in einem gegabelten AuslaB der
ersten Verbrennungskammer CC i enthalten sein, und mit Hilfe geeigneter Ventile
und entsprechender Führung kann die Strömung von der Verbrennungskammer jeweils
durch den einen oder den anderen Ast des gegabelten Auslasses umgesteuert werden,
so daB das eine Abscheiderelement gereinigt oder repariert werden kann, während
das andere in Tätigkeit ist.
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Wie in Fig. 2 gezeigt, kann das Arbeitsmedium am Austritt aus der
Verbrennungskammer CC i wahlweise entlang des Pfades AB durch den Abscheider
E i oder entlang des Pfades CD durch den Abscheider E 2 und so in jedem Fall
über die zweite Verbrennungskammer CC 2 zur Turbine T strömen. Die
Abscheider können, wenn nötig, beispielsweise Hohlschaufeln- oder Röhrenform haben,
die ihre Kühlung mittels Luft oder eines anderen geeigneten Mediums erlaubt.
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Der Durchgang der Verbrennungsprodukte durch den Abscheider soll innerhalb
eines vorgeschriebenen Temperaturbereiches erfolgen. Dies kann unter Berücksichtigung
der jeweils verwendeten Brennstoffsorte durch entsprechende Wahl des Luft-Brennstoff-Verhältnisses
erreicht werden. Für den Fall, daß diese Art von Temperaturregelung nicht ausreicht,
kann eine zusätzliche Regelung durch entsprechende Kühlung des Abscheiders erfolgen.
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Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen an Hand von Beispielen drei Ausführungsarten
von Abscheiderelementen, die angewandt werden können.
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Bei dem in Fig. 3 gezeigten Abscheider strömen die Verbrennungsprodukte
zwischen den Schaufeln von Schaufelreihen a in einem Gehäuse b hindurch,
wobei die genannten Schaufeln, wenn nötig, wie oben beschrieben, mittels Luft, die
von dem Verdichter abgezapft wird, oder mit Luft bzw. einem anderen Kühlmittel,
das von einer anderen Quelle herbeigeführt und durch die Hohlschaufeln hindurchgeführt
wird, gekühlt werden.
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In Fig.4 besteht das Abscheiderelement aus gewundenen Kanälen c, die
von Hohlkörpern D gebildet werden, die die Richtung der Verbrennungsprodukte fortgesetzt,
jedoch nicht in einer Reihe von Stufen wie in Fig.3, ändern. Die genannten Hohlkörper
gestatten, wenn nötig, die Kühlung mit Luft oder einem anderen Kühlmittel, das durch
sie hindurchgeführt wird.
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In Fig.5 wird ein Abscheider gezeigt, der demjenigen in Fig. 4 ziemlich
ähnlich ist, der aber in diesem Fall die Form eines Ringes inmitten von Kanälen
c hat, durch welche die Verbrennungsgase, wie durch die Pfeile angedeutet, hindurchpassieren.
Wie in Fig.3 und 4 kann das Kühlmittel durch die Hohlkörper hindurchlaufen, die
die Kanäle bilden, durch die die Verbrennungsgase passieren, in welchem Fall geeignete
Vorrichtungen für die Zuführung des Kühlmittels zu und die Abführung des Kühlmittels
von den Schaufeln oder Röhren, durch welche es hindurchläuft, vorgesehen werden.
Es können auch Kanäle, wie die in Fig.3 gezeigten, bei ringförmigen Abscheiderformen,
wie in Fig. 5 dargestellt, Anwendung finden.
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Bei der Wahl einer geeigneten Form und eines geeigneten Materials
für die Abscheider und dadurch, daB man dafür Sorge trägt, daB sie leichter und
schneller ausgebaut oder erneuert werden können als die Turbine und/oder die dazugehörigen
Bestandteile, beispielsweise Wärmeaustauscher, wird die Lebensdauer der Anlage erhöht
und die Stillegungszeiten zwecks Reparatur oder Erneuerung verkürzt.
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Die Wirksamkeit des Abscheiderelementes hängt davon ab, daß die Verbrennungsprodukte,
wenn sie durch dieses hindurchströmen, eine Temperatur haben oder innerhalb eines
Temperaturbereiches liegen, in welchem schädliche Bestandteile an den Abscheideroberflächen
haftenbleiben werden; dies wird dadurch erreicht, daß man das Verhältnis von Brennstoff
zu Luft so einstellt, daB die Verbrennungsprodukte in den Abscheider bei der vorgeschriebenen
Temperatur eintreten und anschließend durch eine zweite Verbrennungskammer hindurchlaufen,
wo sie auf die volle Temperatur durch Verbrennung weiteren Brennstoffs erhitzt werden.