CH701011A2 - Verfahren zum Entfernen von Heissgasablagerungen aus einem System, vorzugsweise einem Gasturbinensystem, durch Druckpulse. - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zur Entfernung von Heissgasablagerungen aus einem System, vorzugsweise einem Gasturbinensystem, mittels Druckpulsen wird geschaffen. Das Verfahren enthält das Regeln eines Stroms eines Gemisches aus einem Detonationsfluid (36) und einem Oxidationsmittel (38) in eine Expansionskammer und das Erzeugen einer Detonation in der Expansionskammer (30) durch das Zünden des Gemisches aus dem Detonationsfluid (36) und dem Oxidationsmittel (38) in der Expansionskammer (30), wodurch eine Hochdruckwelle erzeugt wird, die sich entlang eines Fluidpfades des Systems mit einer Überschallgeschwindigkeit ausbreitet und Heissgasablagerungen in dem Fluidpfad entfernt, während sich das System in einem befeuerten Betrieb befindet, wobei die Expansionskammer (30) die Hochdruckwelle zu dem Fluidpfad des Systems hinleitet.
Description
Hintergrund der Erfindung [0001] Der hierin offenbarte Gegenstand bezieht sich auf eine Vorrichtung, die eine unterbrechungsfreie Entfernung von Turbinenheissgaspfadablagerungen aus einem Heissfluidpfad eines Systems im befeuerten Betrieb unter Verwendung von Hochdruck-stössen bzw. -pulsen, die durch eine gepulste Detonation erzeugt werden, ermöglicht. [0002] Es sind zahlreiche Entwicklungen an auf Detonationswellen basierenden Russausblaseinrichtungen durchgeführt worden, um Russ- und Ascheansammlungen aus grossindustriellen Dampferzeugern, die mit Kohle oder anderen aschehaltigen Brennstoffen befeuert werden, zu entfernen. Gasturbinen, die mit Schwerflüssigkeiten befeuert werden, erfahren ebenfalls eine Verunreinigung des Heissgaspfades mit Russ- und Ascheablagerungen, die regelmässig ausserhalb des Betriebs durch Wasserwäsche entfernt werden müssen. Die zum Abkühlen der Turbine vor der Einleitung von Wasser und Lösungsmittel und zur Durchführung der Wäsche ausserhalb des Betriebs benötigte Zeit beschränkt die Verfügbarkeit von Gasturbinen, die mit Schweröl (HFO für heavy fuel oil) befeuert werden. [0003] Industrielle Gasturbinen, die mit Rohöl, Schweröl oder anderen aschehaltigen Brennstoffen befeuert werden, müssen dem Brennstoff Magnesiumoxid (MgO) oder eine andere Verbindung als einen Vanadiumfangstoff beimischen, um eine heisse Korrosion des Heissgaspfades zu verhindern. MgO und andere Verbindungen sowie inerte Stoffe (Siliziumdioxid) in diesen Brennstoffen erzeugen Schlacke- und Ascheablagerungen an dem Heissgaspfad. Wenn diese Ablagerungen nicht häufig entfernt werden, verändern sich die aerodynamischen Eigenschaften der Turbine in einem ausreichenden Masse, um das System funktionsunfähig zu machen; es wird buchstäblich mit Ablagerungen verstopft. Die gegenwärtige Praxis besteht darin, zum Entfernen der Ablagerungen täglich oder wenigstens wöchentlich ausser Betrieb eine Wasserwäsche durchzuführen. Die Turbine muss vom Netz genommen, bis nahezu auf Umgebungstemperatur erheblich abgekühlt werden, um einen thermischen Schock an den Metallteilen durch das Wasser zu vermeiden, und danach mit Wasser und einem Lösungsmittel gewaschen bzw. gespült werden. Nussschalen oder andere relativ zerbrechliche Objekte können pneumatisch in das System injiziert werden, während der Rotor schnell angedreht wird, um weiterhin die Ablagerungen an den Heissgaselementen (HGP für hot gas part) wegzublasen. [0004] Dementsprechend ist es wünschenswert, Ascheablagerungen aus einem Fluidpfad eines Systems zu entfernen, während sich das System in einem befeuerten Betrieb befindet. Weiterhin ist es wünschenswert, zur Entfernung von Ascheablagerungen aus einem Fluidpfad eines Systems ohne Bedarf an Wasser oder Lösungsmitteln in der Lage zu sein, während das System bei Drücken arbeitet, die grösser als der atmosphärische Druck sind. Kurze Beschreibung der Erfindung [0005] Gemäss einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Entfernen von Heissgasablagerungen aus einem System mittels Druckpulsen geschaffen. Das Verfahren enthält das Einstellen einer Strömung eines Gemisches aus einem Detonationsfluid und einem Oxidationsmittel in eine Expansionskammer und das Erzeugen einer Detonation innerhalb der Expansionskammer durch das Zünden des Gemisches aus dem Detonationsfluid und dem Oxidationsmittel in der Expansionskammer, wodurch eine Hochdruckweile erzeugt wird, die sich die Hochdruckwelle entlang eines Fluidpfades des Systems mit einer Überschallgeschwindigkeit ausbreitet und Heissgasablagerungen in dem Fluidpfad entfernt, während sich das System in einem befeuerten Betrieb befindet, wobei die Expansionskammer die Hochdruckwelle zu dem Fluidpfad des Systems hinleitet. [0006] Gemäss einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Entfernen von Heissgasablagerungen aus einem System durch Druckpulse geschaffen. Die Vorrichtung enthält eine Expansionskammer, die zur Aufnahme eines Gemisches aus einem Detonationsfluid und einem Oxidationsmittel eingerichtet ist, und einen Initiator, der zum Zünden des Gemisches aus dem Detonationsfluid und dem Oxidationsmittel in der Expansionskammer eingerichtet ist und eine Detonation in der Expansionskammer erzeugt, die eine Hochdruckwelle erzeugt, wobei die Hochdruckwelle sich entlang eines Fluidpfades des Systems mit einer Überschallgeschwindigkeit ausbreitet und Heissgasablagerungen in dem Fluidpfad entfernt, während sich das System in einem befeuerten Betriebszustand befindet, wobei die Expansionskammer die Hochdruckwelle zu dem Fluidpfad des Systems hinleitet. [0007] Gemäss noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System zum Entfernen von Turbinenheissgaspfadablagerungen aus einem Fluidpfad einer Gasturbine durch Druckpulse geschaffen. Das System enthält eine Expansionskammer, die innerhalb einer Brennkammer der Gasturbine angeordnet ist, wobei die Expansionskammer zur Aufnahme eines Gemisches aus einem Detonations-fluid und einem Oxidationsmittel eingerichtet ist, und einen Initiator, der zum Zünden des Gemisches aus dem Detonationsfluid und dem Oxidationsmittel in der Expansionskammer eingerichtet ist und eine Detonation innerhalb der Expansionskammer erzeugt, die eine Hochdruckwelle hervorruft, wobei die Hochdruckwelle sich in die Brennkammer hinein und entlang eines Fluidpfades der Gasturbine mit einer Überschallgeschwindigkeit ausbreitet und Turbinenheissgaspfadablagerungen in dem Fluidpfad entfernt, während die Gasturbine bei Drücken betrieben wird, die grösser als der Atmosphärendruck sind, wobei die Hochdruckwelle durch die Expansionskammer in die Brennkammer hinein und durch den Fluidpfad der Gasturbine hindurch geleitet wird. [0008] Diese und weitere Vorteile und Merkmale werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlicher ersichtlich. Kurze Beschreibung der Zeichnungen [0009] Der Gegenstand, der als die Erfindung angesehen wird, ist in den Ansprüchen im Anschluss an die Beschreibung im Einzelnen dargelegt und genau beansprucht. Die vorangegangenen und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlich: <tb>Fig. 1<sep>ist eine Querschnittsansicht einer Gasturbine mit einer Vorrichtung zum Entfernen von Turbinenheissgaspfadablagerungen aus einem Heissgaspfad der Gasturbine gemäss einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; <tb>Fig. 2<sep>ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung zum Entfernen von Turbinenheissgaspfadablagerungen aus dem Heissgaspfad der Gastrubine gemäss einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, <tb>Fig. 3<sep>ist eine perspektivische Querschnittsansicht der Vorrichtung, die in einer Brennkammer der Gasturbine angeordnet ist, gemäss einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und <tb>Fig. 4<sep>ist eine Querschnittsansicht einer Brennkammeranordnung der Gasturbine, die die Vorrichtung innerhalb einer Brennkammer gemäss einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält. [0010] Die detaillierte Beschreibung erläutert Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit Vorteilen und Merkmalen im Wege eines Beispieles unter Bezug auf die Zeichnungen. Detaillierte Beschreibung der Erfindung [0011] Beispielhafte Ausführungsformen sind auf eine Vorrichtung gerichtet, die es ermöglicht, unterbrechungsfrei Heissgasablagerungen oder speziell Turbinenheissgaspfadablagerungen (Russ, Klinker, Asche, Schlacke und andere aus dem Brennstoff oder der Luft stammende Verbrennungsnebenprodukte, die hierin fortan als "Ascheablagerungen" bezeichnet werden,) aus einem Heissfluidpfad eines Systems (z.B. einer Gasturbine) durch Hochdruckwellen oder -pulse, die durch Pulsdetonation erzeugt werden, zu entfernen. Das hierin beschriebene System kann eine beliebige Art von System sein, das Schweröl, Kohlenstaub oder andere aschehaltige Brennstoffe verfeuert. Beispielhafte Ausführungsformen sind weiterhin auf eine Vorrichtung gerichtet, die in einem periodischen Modus oder einem Säuberungsmodus arbeiten kann, um Ascheablagerungen aus einem Heissfluidpfad eines Systems durch Hochdruckpulse zu beseitigen oder zu entfernen, die durch periodische Detonation eines Gemisches aus einer Detonationsflüssigkeit (z.B. Ethen) und einem Oxidationsmittel (z.B. verdichteter Luft) erzeugt werden, oder die als ein Zündsystem oder eine Diffusionssteuerung durch Betrieb in einem kontinuierlichen Modus arbeiten kann. [0012] Beispielhafte Ausführungsformen sind auch auf ein System gerichtet, das diese beispielhaften Vorrichtungen zur unterbrechungsfreien Entfernung von Ascheablagerungen mittels Hochdruckpulsen aus einer gepulsten Detonation enthält. Weiterhin enthält das System in diesen Ausführungsformen einen Prozessor, um der Vorrichtung zu ermöglichen, als eine Säuberungseinrichtung sowie als ein Fackelzündsystem zum Starten oder als eine Diffusionsflammensteuerung zur verbesserten Betreib-barkeit bei Teillast zu arbeiten. [0013] Gemäss einer beispielhaften Ausführungsform ermöglicht die Vorrichtung eine unterbrechungsfreie Ascheentfernung aus einem Heissgaspfad eines Systems, das Schweröl, Kohlenstaub oder andere aschehaltige Brennstoffe verfeuert, unter Verwendung von Hochdruckwellen oder Druckpulsen, die durch eine periodische Verbrennung mit Druckanstieg oder gepulste Detonation erzeugt werden. In einer nicht beschränkenden, beispielhaften Ausführungsform ist die Vorrichtung in einer Verbrennungsanordnung eines Brennstoff verfeuernden Systems angeordnet. Die Vorrichtung kann z.B. innerhalb einer Brennkammer einer Gasturbine angeordnet sein. In diesem Beispiel enthält die Vorrichtung (ein) Magnet- oder Drehventil(e), das/die einer Brennstoff-/Luft-Messeinrichtung zugeordnet und ausserhalb der Brennkammer angeordnet ist/sind, um den Brennstoff-/Luftstrom in ein Detonationsrohr oder eine Expansionskammer einzustellen, die die Hochdruckwellen in die Brennkammer hinein und wirksam dem Heissgaspfad der Gasturbine entlang führt oder leitet. Unter Verwendung desselben Beispiels kann die Vorrichtung durch ein Verarbeitungssystem gesteuert werden, das es der Vorrichtung ermöglicht, in einem ersten Betriebsmodus (z.B. periodische Zufuhr von Brennstoff und Luft) oder einem zweiten Betriebsmodus (kontinuierliche Zufuhr von Brennstoff und/oder Luft) zu arbeiten. [0014] Nun unter Bezug auf die Zeichnungen: Fig. 1ist eine schematische Darstellung eines Systems 10 zur Entfernung von Ascheablagerungen aus einem Fluidpfad oder einem Heissgaspfad einer Gasturbine gemäss einer beispielhaften Ausführungsform. Das System 10 enthält allgemein eine Vorrichtung 12, die in einer Brennkammeranordnung 14 einer Gasturbine 16 enthalten ist und zur Entfernung von Ascheablagerungen aus einem Heissgaspfad der Gasturbine 16, der allgemein mit einem gestichelten Pfeil 18 bezeichnet ist, eingerichtet ist. Der Heissgaspfad 18 ist gemäss einer beispielhaften Ausführungsform zwischen der Brennkammeranordnung 14 und einem Auslassende der Gasturbine 16 definiert. Gemäss einer beispielhaften Ausführungsform ist die Vorrichtung 12 ein Pulsgenerator, der als eine Mehrzweckvorrichtung (Fackelzünder, Zündflamme und Plusstromsäuberer) betrieben werden kann. [0015] Der Pulsgenerator 12 kann gemäss einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Brennkammeranordnungen 14 unterschiedlicher Konfiguration enthalten sein und darf nicht auf die in Fig. 1gezeigte Anordnung beschränkt werden. Allgemein wird der Brennkammeranordnung 14 Hochdruckgas zugeführt und in einer Düse 20 mit einem Brennstoff, wie z.B. Prozessgas und/oder Synthesegas gemischt. Das Brennstoff/Luft-Gemisch oder das brennbare Gemisch wird in eine Brennkammer 22 eingeleitet und durch eine Zündkerze 22 gezündet, um einen Hochdruck-Hochtemperatur-Verbrennungsgasstrom zu erzeugen. Gemäss einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Pulsgenerator 12 jedoch verwendet werden, um das Brennstoff/Luft-Gemisch in der Brennkammer 22 zu zünden oder den Verbrennungsprozess der Brennkammer 22 einzuleiten, wie es unten genauer beschrieben wird. Diese Ausführungsform beseitigt den Bedarf an einer konventionellen Zündkerze(n), die zum Befeuern oder Wiederbefeuern der Brennkammer in der Brennkammeranordnung verwendet werden, und an Kreuzfeuerröhren, die konventionell zum Befeuern anderer Brennkammern der Brennkammeranordnung verwendet werden. [0016] Nun unter Bezug auf Fig. 2: Die Grundelemente des Pulsgenerators 12 enthalten allgemein eine Expansionskammer 30, eine erste Einlassöffnung 32, eine zweite Einlassöffnung 34 und einen Initiator 36. Der Kammer 30 wird gemäss einem Ausführungsbeispiel ein Gemisch aus einem Detonationsfluid und einem Oxidationsmittel (z.B. Luft) über die erste Einlassöffnung 32 bzw. eine zweite Einlassöffnung 34 zugeführt. Das Detonationsfluid wird gemäss einer beispielhaften Ausführungsform von einer ersten Quelle 36 (z.B. einer dosierten Brennstoffzufuhr) zugeführt, während das Oxidationsmittel von einer zweiten Quelle 38 (z.B. einer Zufuhr verdichteter Luft) zugeführt wird. In einer alternativen Ausführungsform wird das Detonationsfluid von derselben Quelle zugeführt, die der Brennkammeranordnung den Brennstoff zuführt. In einer Ausführungsform ist die Menge des der Expansionskammer 30 zugeführten Detonationsfluids kleiner als die Menge des der Brennkammeranordnung zugeführten Brennstoffs, wie etwa näherungsweise 1% des Hauptbrennstoffstroms der Turbine. Mit anderen Worten, das zur Ermöglichung der Detonationen in der Expansionskammer benötigte Detonationsfluid ist weniger als die zur Aufrechterhaltung der Hauptverbrennung der Gasturbine benötigte Brennstoffmenge. [0017] Die Vorrichtung 12 enthält weiterhin ein erstes Ventil 40 und ein zweites Ventil 42, die den Strom des Detonationsfluids bzw. des Oxidationsmittels in die Kammer 42 einstellen, um gemäss einem Ausführungsbeispiel die Häufigkeit und die Amplitude der Druckwellen zu variieren. Während jeder der Zufuhrquellen nur ein Ventil zugeordnet ist, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, sollte erkannt werden, dass auch eine Kombination von Ventilen an verschiedenen Stellen verwendet werden könnte, um den Strom des Detonationsfluids und des Oxidationsmittels in die Kammer 22 einzustellen oder zu variieren. In einem Ausführungsbeispiel sind das erste Ventil 40 und das zweite Ventil 42 ausserhalb der Kammer 22 angeordnet. Das erste Ventil 40 und das zweite Ventil 42 kann jeweils ein beliebiger Typ von Ventil- oder Steuerungseinrichtung sein, die zum Einstellen bzw. Regeln des Stroms des Detonationsfluids und des Oxidationsmittels in die Expansionskammer 30 eingerichtet ist. Das erste Ventil 40 und das zweite Ventil 42 sind z.B. konventionelle Drehventile mit rotierenden Trommeln, die z.B. durch einen variablen Elektromotor angetrieben sein können. Das erste Ventil 40 ermöglicht es, dass der Strom des Detonationsfluids in die Kammer 22 in Abhängigkeit von dem Betriebsmodus periodisch oder kontinuierlich ist. In ähnlicher Weise ermöglicht es das zweite Ventil 42, dass der Strom des Oxidationsmittels in die Kammer 22 in Abhängigkeit von dem Betriebsmodus periodisch oder kontinuierlich ist. Das zweite Ventil 42 kann auch wahlweise den Strom des Oxidationsmittels in die Kammer 22 in Abhängigkeit von dem Betriebsmodus verhindern, wie es unten genauer beschrieben ist. [0018] Gemäss einer beispielhaften Ausführungsform ist der Initiator 36 dazu eingerichtet, das Gemisch aus dem Detonationsfluid und dem Oxidationsmittel in der Expansionskammer 30 zu zünden, wodurch innerhalb der Expansionskammer 30 ein Detonationsereignis hervorgerufen wird. Die Detonation in der Expansionskammer 30 erhöht den Druck in der Expansionskammer 30 schnell und erzeugt eine Hochdruckwelle. Die von dem Druck erhöhenden Verbrennungsereignis (Detonation) in der Expansionskammer 30 erzeugte Hochdruckwelle breitet sich mit Überschallgeschwindigkeit durch eine Düse 44 hindurch, die an einem Ende der Expansionskammer 30 ausgebildet ist, in die Brennkammer 22 hinein entlang des Heissgaspfades 18 der Gasturbine 16, wobei sie Ascheablagerungen entfernt, und aus dem Abgasauslassende der Gasturbine 16 hinaus aus. Die Ascheablagerungen werden danach durch den Massenstrom aus der Turbine hinaus transportiert. Die Hochdruckwelle löst oder entfernt Ascheablagerungen oder unerwünschten Russ von dem Heissgaspfad 18 und wirksam von den stationären Komponenten (z.B. einem Leitkranz der ersten Stufe) der Gasturbine. Gemäss einer nicht beschränkenden, beispielhaften Ausführungsform ist der Initiator 36 eine Zündkerze. In einer anderen nicht beschränkenden, beispielhaften Ausführungsform ist der Initiator eine Plasmafackel. Der Initiator 36 kann gemäss weiteren beispielhaften Ausführungsformen natürlich auch irgendeine andere Vorrichtung sein, die zur Auslösung des Gemisches aus Detonationsfluid und Oxidationsmittel in der Expansionskammer 30 eingerichtet ist. [0019] Gemäss einer beispielhaften Ausführungsform ist die Expansionskammer 30 ein zylindrisches Rohr, das die Hochdruckwelle in die Brennkammer 22 führt, und dazu eingerichtet, Detonationen in einem inneren Hohlraum oder einer Reaktionszone 46 zu erzeugen, die gemäss einer beispielhaften Ausführungsform in der Expansionskammer 30 ausgebildet ist. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Expansionskammer 30 des Pulsgenerators 12 axial innerhalb der Brennkammer 22 angeordnet, wie es in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist. In einer nicht beschränkenden beispielhaften Ausführungsform ist die Expansionskammer 30 an der Zentrallinie der Brennkammer 22 angeordnet und von einer Anzahl von Brennstoffinjektorübergängen 50 der Brennkammer 22 umgeben. Die Expansionskammer 30 kann natürlich in verschiedenen Ausgestaltungen in die Brennkammer 22 eingesetzt sein und soll nicht auf die gezeigte Anordnung beschränkt sein. Die Brennkammer 22, die die Expansionskammer 30 aufnimmt, kann eine Rohrbrennkammer, eine Ringbrennkammer oder eine andere Brennkammer sein. [0020] Gemäss einer nicht beschränkenden beispielhaften Ausführungsform beträgt das Durchmessermass der Expansionskammer 302,5 cm (1 Zoll). Das Durchmessermass der Expansionskammer 30 kann in Abhängigkeit von der Anwendung natürlich auch grösser oder kleiner als 2,5 cm sein. Die Expansionskammer 30 kann gemäss anderen beispielhaften Ausführungsformen jede beliebige Grösse oder Konfiguration aufweisen und soll nicht auf die hierin beschriebene Konfiguration beschränkt sein. In einem Ausführungsbeispiel enthält die Expansionskammer 30 einen Engpass 48, der zwischen einem Ende der Expansionskammer 30 (einem geschlossenen Ende nahe bei dem Initiator) und einem anderen Ende der Expansionskammer 30 oder dem Düsenende 44 der Expansionskammer 30 ausgebildet ist. Der Engpass 48 ermöglicht die Begrenzung des Fluidstroms und erhöht den Druck in der Expansionskammer, der es gemäss einem Ausführungsbeispiel ermöglicht, dass die Hochdruckwelle Überschallgeschwindigkeit erreicht. Der Aufbau der Expansionskammer 30 ist derart, dass eine Detonation oder ein Detonationsereignis in der Expansionskammer auftritt, das eine Hochdruckwelle erzeugt, die sich durch das Fluid in der Expansionskammer 30 in Folge einer Energiefreisetzung in der Reaktionszone der Expansionskammer 30 ausbreitet, sobald in die Expansionskammer 30 ein Gemisch aus dem Detonationsfluid und dem Oxidationsmittel injiziert wird und der Initiator des Gemisch zündet. Die Hochdruckwelle breitet sich mit Überschallgeschwindigkeit in die Brennkammer 22 hinein und entlang des Heissgaspfades 18 der Gasturbine 16 aus, wobei sie Ascheablagerungen aus dem Heissgaspfad 18 entfernt. [0021] Wieder unter Bezug auf Fig. 2: Eine Steuerung steht mit dem Pulsgenerator 12 in Verbindung, um es dem Pulsgenerator 12 zu ermöglichen, in einem ersten Betriebsmodus (periodischer Modus), in dem der Pulsgenerator 12 als eine Säuberungseinrichtung verwendet wird, oder einem zweiten Betriebsmodus (kontinuierlicher Modus), in dem der Pulsgenerator als ein Fackelzündsystem oder eine Zündflamme verwendet werden kann, zu arbeiten. In einer Ausführungsform ist die Steuerung 60 zu der Expansionskammer 30 extern angeordnet und mit dem ersten Ventil 40, dem zweiten Ventil 42 und dem Initiator 36 gemäss einer beispielhaften Ausführungsform über Kabel verbunden. Es wird in Betracht gezogen, dass die Steuerung 60 in anderen beispielhaften Ausführungsformen zur drahtlosen Kommunikation mit den Ventilen und dem Initiator oder anderen Vorrichtungen eingerichtet ist, um den Betrieb des Pulsgenerators 12 entweder in dem Säuberungsmodus oder in dem kontinuierlichen Modus zu ermöglichen, wobei der Pulsgenerator 12 als ein Integralzünder oder eine Diffusionssteuerung verwendet wird. [0022] Während des ersten Betriebsmodus löst oder entfernt der Pulsgenerator 12 die Ascheablagerungen von dem Heissgaspfad 18 der Turbine 16 durch periodische Hochdruckpulse oder -wellen, die durch eine periodische Detonation erzeugt werden. Die periodische Detonation tritt durch eine in Abständen auftretende Zufuhr von einem Detonationsfluid und Luft in die Expansionskammer 30 des Pulsgenerators und eine periodische Zündung der Brennstoff-/Luft-Zufuhr in der Kammer 30 statt. Das erste Ventil 40 und das zweite Ventil 42 ermöglichen es, dass das Detonationsfluid bzw. das Oxidationsmittel während des ersten Betriebsmodus periodisch in die Kammer 30 hineinströmen, der die Erzeugung von Druckwellen ermöglicht, die aus gepulsten Detonationen erzeugt werden. Diese oszillierende Brennstoff-/Luftzufuhr und das Auftreten der periodischen oder gepulsten Detonationsereignisse erzeugen Hochdruckwellen, die zum Entfernen von Ascheablagerungen aus dem Heissgaspfad 18 der Gasturbine 16 verwendet werden. Gemäss einer beispielhaften Ausführungsform befindet sich die Gasturbine 16 während des ersten Betriebsmodus, des zweiten Betriebsmodus oder beiden in einem befeuerten Betrieb. In einer nicht beschränkenden beispielhaften Ausführungsform arbeitet die Gasturbine 16 während des Säuberungsmodus oder des kontinuierlichen Modus bei Drücken, die grösser als der Atmosphärendruck sind. Demnach könnte die Detonationssäuberung bei unter Last laufender Gasturbine stattfinden, was die Stillstandzeit des Systems in erheblichem Masse wirksam verringert. [0023] Gemäss einer beispielhaften Ausführungsform kann die Steuerung 60 Pulsationen variabler Frequenz zur Ascheentfernung in der Brennkammer 22 sowie in anderen (nicht gezeigten) Brennkammern der Gasturbine erzeugen, die gemäss einem Ausführungsbeispiel auch ihren eigenen Pulsgenerator verwenden. Mit anderen Worten ist die Steuerung 60 dazu eingerichtet, unabhängig die Pulsfrequenz in jeder Kammer der Gasturbinenanlage zu steuern, um gemäss einer beispielhaften Ausführungsform kohärente Pulsationen zu vermeiden. Die Steuerung 60 steuert die Pulsfrequenz in der Kammer 22 durch Steuerung des Betriebs der Ventile 40, 42 und des Initiators 36. In einem Ausführungsbeispiel variiert die Steuerung 60 die Druckschwingungen oder -wellen zur konstruktiven Interferenz mit dynamischen Druckschwingungen in der Brennkammer 22, die zur wirksameren Säuberung die Amplitude erhöht, oder die Steuerung stellt die Frequenz und die Phase der Druckschwingungen zur destruktiven Interferenz mit dynamischen Druckschwingungen ein, um die Amplituden zu verringern. Die variable Frequenz der Druckschwingungen kann zur Optimierung der Säuberung des Heissgaspfades verwendet werden, wobei Frequenzen vermieden werden, die stromabwärtigen Elemente entlang des Heissgaspfades beschädigen könnten. Die Steuerung 60 kann z.B. die Frequenz der Druckschwingungen so einstellen, dass sie zu der Resonanzfrequenz einer Komponente (z.B. dem Leitkranz der ersten Stufe) in dem Heissgaspfad passt, um die Entfernung von Asche/Russ an der Komponente zu erleichtern. [0024] Während des zweiten Betriebsmodus arbeitet der Generator 12 in einem kontinuierlichen Modus. In dem zweiten Betriebsmodus kann der Pulsgenerator als ein Fackelzünder, um die Gasturbine zu starten oder eine ausgeblasene Brennkammer neu zu zünden, oder als eine Zündflamme zum Stabilisieren der Brennkammer verwendet werden. Wenn der Pulsgenerator 12 als Fackelzünder verwendet wird, sind das erste Ventil 40 und das zweite Ventil 42 in einer Stellung für kontinuierlichen Fluss festgestellt, die es ermöglicht, dass das Detonationsfluid und das Oxidationsmittel kontinuierlich in die Kammer 30 hineinströmt. Der Initiator 36 zündet das Gemisch aus Detonationsfluid und Oxidationsmittel in der Kammer 30, wenn der Pulsgenerator als eine Zündfackel verwendet wird. Dies leitet gemäss einem Ausführungsbeispiel den Verbrennungsvorgang in der Verbrennungskammer 22 ein und startet die Gasturbine ohne Bedarf an konventionellen Zündkerzen. Wenn der Pulsgenerator 12 in einem konstanten Deflagrationsmodus (gleich bleibende Flamme) als eine Zündflamme verwendet wird, ermöglicht das erste Ventil 40 dem Detonationsfluid, kontinuierlich in die Kammer 30 zu strömen, und das zweite Ventil 42 ermöglicht entweder dem Oxidationsmittel, für ein magereres Gemisch kontinuierlich in die Kammer 30 zu strömen, oder hindert wahlweise das Oxidationsmittel daran, in die Kammer 30 zu strömen, wie es durch die gestrichelten Linien in Fig. 2vorgeschlagen wird. Die Zündflamme stabilisiert die Brennkammer 22, von der angenommen wird, dass sie in Betrieb ist. Folglich beseitigt dies den Bedarf an einem Initiator. Mit anderen Worten zündet der Initiator während des zweiten Betriebsmodus anfänglich das Gemisch aus Detonationsfluid und Oxidationsmittel und wird nicht länger gebraucht, sobald der Initiator das Gemisch gezündet hat, weil die Flamme durch den kontinuierlichen Strom des Detonationsfluids stabilisiert werden kann. [0025] Gemäss einer beispielhaften Ausführungsform kann die Steuerung in Abhängigkeit von der Anwendung mit einem (nicht gezeigten) Betriebssystem der Gasturbinenanlage oder einem integralen Bestandteil des Betriebssystems in Signalverbindung stehen. In einer beispielhaften Ausführungsform versetzt die Steuerung 60 den Pulsgenerator 12 in Abhängigkeit von Eingangsdaten in Bezug auf das Befinden, den Zustand und/oder die Beschaffenheit der Brennkammeranordnung oder der Gasturbine wahlweise in einen periodischen Säuberungsmodus. Wenn die Leistungsabgabe der Gasturbine niedrig ist, kann der Pulsgenerator 12 z.B. in den ersten Betriebsmodus versetzt werden. In ähnlicher Weise kann der Pulsgenerator 12 in den zweiten Betriebsmodus versetzt werden, wenn die Gasturbine hochgefahren werden muss oder die Brennkammer erneut gezündet werden muss. [0026] Gemäss einem Ausführungsbeispiel kann die Steuerung vielfältige Eingabedaten von verschiedenen Quellen (z.B. Sensoren) aufnehmen, um die Geschwindigkeit (Frequenz) der Ventile 40, 42 und die Operationen/Funktionen (z.B. Timing bzw. Taktung, Strom, Spannung etc.) des Initiators 36 zu steuern. Die von der Steuerung empfangenen Eingabedaten können z.B. die Last, die Brenntemperatur, den Verdichteraustrittsdruck und die Verdichteraustrittstemperatur, den statischen Brennkammerdruck, die dynamische Druckamplitude und -frequenz, die Wandtemperatur der Expansionskammer, den Zustand des Hauptflammendetektors, den Zustand des Expansionskammerflammendetektors, den stationären Expansionskammerdruck, den Brennkammerbetriebsmodus, die befeuerten Betriebsstunden seit dem letzten Säuberungszyklus oder eine Kombination von diesen enthalten. Die Steuerung kann natürlich auch noch weitere Arten von Eingangsdaten aufnehmen, die sich auf das Befinden, den Zustand und/oder die Beschaffenheit der Brennkammeranordnung der Gasturbine beziehen, wobei diese nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt sein sollen. [0027] Gemäss einer beispielhaften Ausführungsform enthält das in dem Pulsgenerator 12 verwendete Detonationsfluid einen von verschiedenen flüchtigen flüssigen Brennstoffen oder eine Kombination von diesen. Im Einzelnen kann der Expansionskammer 30 ein flüchtiger flüssiger Brennstoff, ein gasförmiger Brennstoff, wie etwa Wasserstoff, Erdgas, Propan, Butan oder Benzin ebenso wie Flaschengas oder eine Kombination von diesen zugeführt werden. Natürlich können auch andere leicht verdampfende Brennstoffe (z.B. Ethen, Methanol oder Propan) verwendet werden, um der Expansionskammer 30 gemäss anderen beispielhaften Ausführungsformen ein Detonationsfluid zuzuführen, wobei dies nicht auf die hierin beschriebenen Beispiele beschränkt sein soll. Es wird in Betracht gezogen, dass gemäss anderen beispielhaften Ausführungsformen auch andere Kohlenwasserstoffgase, die leicht in flüssiger Form gespeichert werden können, als Detonationsfluid für den Pulsgenerator verwendet werden können. [0028] Beispielhafte Ausführungsformen des Pulsgenerators 12 ermöglicht eine häufigere Säuberung, die die Nettoleistung bzw. Gesamteffizienz verbessert und höhere Brenntemperaturen, Energieabgaben und Wirkungsgrade möglich machen. Beispielhafte Ausführungsformen des Pulsgenerators 12 können wie beschrieben als Zündflamme und Hochtemperatursteuerung verwendbar sein, was nützliche Merkmale sein können, wenn versucht wird, mit Restölen zu arbeiten, die weder so volatil wie konventioneller Dieselkraftstoff noch leicht zu einem zündfähigen Sprühnebel zerstäubbar sind. Die hierin beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen des Pulsgenerators 12 beseitigen oder verringern den Bedarf an Wasser und Lösungsmitteln, die gewöhnlich zur Entfernung von Ascheablagerungen in einer Gasturbine verwendet werden. Die beispielhaften Ausführungsformen des Pulsgenerators, die hierin beschrieben sind, ermöglichen es ferner, dass die Turbine durch Druckpulse gesäubert wird, während sich die Gasturbine in einem befeuerten Betrieb befindet. Die Menge des von der Vorrichtung verbrauchten Detonationsbrennstoffs ist gering (z.B. ein 1/50 des Turbinenbrennstoffstroms), und die freigesetzte Säuberungsenergie kann in der Gasturbine teilweise zurückgewonnen werden. [0029] Es sollte erkannt werden, dass es der Säuberungsprozess in einem kontinuierlichen Modus ermöglicht, dass die von dem Detonationsfluid freigesetzte Energie in der Gasturbine und einem zugehörigen Kombi- bzw. GuD-Prozess teilweise zurück gewonnen wird. [0030] Während die Erfindung nur in Verbindung mit einer begrenzten Anzahl von Ausführungsbeispielen im Einzelnen beschrieben worden ist, sollte leicht erkannt werden, dass die Erfindung nicht auf derartige offenbarte Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung so abgewandelt werden, dass sie eine beliebige Anzahl von Variationen, Änderungen, Ersetzungen oder äquivalenten Anordnungen beinhaltet, die zuvor nicht beschrieben worden sind, aber dem Geist und dem Bereich der Erfindung entsprechen. Während verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben worden sind, muss weiterhin erkannt werden, dass Aspekte der Erfindung auch nur einige der beschriebenen Ausführungsbeispiele enthalten können. Dementsprechend darf die Erfindung nicht als auf die vorangegangene Beschreibung beschränkt angesehen werden, sondern sie ist nur durch den Bereich der beigefügten Ansprüche beschränkt. Bezugszeichenliste [0031] <tb>10<sep>System <tb>12<sep>Pulsgenerator <tb>14<sep>Brennkammeranordnung <tb>16<sep>Gasturbine <tb>18<sep>Heissgaspfad <tb>20<sep>Leitkränz <tb>22<sep>Brennkammer <tb>30<sep>Expansionskammer <tb>32<sep>Erste Einlassöffnung <tb>34<sep>Zweite Einlassöffnung <tb>37<sep>Erste Quelle <tb>38<sep>Zweite Quelle <tb>40<sep>Erstes Ventil <tb>42<sep>Zweites Ventil <tb>44<sep>Düsenende <tb>46<sep>Reaktionszone <tb>48<sep>Engpass <tb>50<sep>Brennstoffinjektorübergänge <tb>60<sep>Steuerung
Claims (10)
1. Verfahren zum Entfernen von Heissgasablagerungen (18) aus einem System (10) durch Druckpulse, wobei das Verfahren enthält:
Einstellen eines Stroms eines Gemisches aus einem Detonationsfluid (36) und einem Oxidationsmittel (38) in eine Expansionskammer (30); und
Erzeugen einer Detonation in der Expansionskammer (30) durch Zünden des Gemisches aus dem Detonationsfluid (36) und dem Oxidationsmittel (38) in der Expansionskammer (30), wobei die Detonation eine Hochdruckwelle erzeugt, die sich entlang eines Fluidpfades des Systems mit einer Überschallgeschwindigkeit ausbreitet und Heissgasablagerungen (18) in dem Fluidpfad entfernt, während sich das System (10) in einem befeuerten Zustand befindet, und die Expansionskammer (30) die Hochdruckwelle zu dem Fluidpfad des Systems (10) hinleitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine erste Steuerungseinrichtung (40) den Strom des Detonationsfluids (36) in die Expansionskammer (30) und eine zweite Steuerungseinrichtung (42) den Strom des Oxidationsmittels (38) in die Expansionskammer (30) steuert, wobei die erste Steuerungseinrichtung (40) und die zweite Steuerungseinrichtung (42) wahlweise in einem ersten Betriebsmodus und einem zweiten Betriebsmodus arbeiten.
3. Verfahren nach Anspruch 2, das weiterhin enthält, während des ersten Betriebsmodus, der die Erzeugung von Hochdruckwellen ermöglicht, die durch Pulsdetonationsereignisse erzeugt werden, dem Detonationsfluid (36) zu ermöglichen, unter Verwendung der ersten Steuerungseinrichtung (40) periodisch in die Kammer (30) zu strömen, und dem Oxidationsmittel (38) zu ermöglichen, unter Verwendung der zweiten Steuerungseinrichtung (42) periodisch in die Kammer (30) hineinströmen,.
4. Verfahren nach Anspruch 2, das weiterhin enthält, während des zweiten Betriebsmodus dem Detonationsfluid (36) zu ermöglichen, unter Verwendung der ersten Steuerungseinrichtung kontinuierlich in die Kammer (30) zu strömen, und entweder dem Oxidationsmittel (38) zu ermöglichen, kontinuierlich in die Kammer (30) zu strömen, oder das Oxidationsmittel (38) wahlweise daran zu hindern, in die Kammer (30) zu strömen.
5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das System eine Gasturbine (16) ist, die während des befeuerten Betriebs bei Drücken arbeitet, die grösser sind als der Atmosphärendruck.
6. Vorrichtung zum Entfernen von Heissgasablagerungen (18) aus einem System durch Druckpulse, wobei das System aufweist:
eine Expansionskammer (30), die zur Aufnahme eines Gemisches aus einem Detonationsfluid (36) und einem Oxidationsmittel (38) eingerichtet ist, und
einen Initiator, der zum Zünden des Gemisches aus dem Detonationsfluid (36) und dem Oxidationsmittel (38) in der Expansionskammer (30) eingerichtet ist, wobei das Zünden eine Detonation in der Expansionskammer (30) erzeugt, die eine Hochdruckwelle erzeugt, die sich entlang eines Fluidpfades des Systems (10) mit einer Überschallgeschwindigkeit ausbreitet und Heissgasablagerungen (18) in dem Fluidpfad entfernt, während sich das System (10) in einem befeuerten Zustand befindet, wobei die Expansionskammer (30) die Hochdruckwelle zu dem Fluidpfad des Systems (10) hinleitet.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, die weiterhin eine erste Steuerungseinrichtung (40) und eine zweite Steuerungseinrichtung (42) aufweist, die zum Einstellen eines Stroms des Gemisches aus dem Detonationsfluid (36) und dem Oxidationsmittel (38) in die Expansionskammer (30) eingerichtet sind, wobei die erste Steuerungseinrichtung (40) und die zweite Steuerungseinrichtung (42) wahlweise in einem ersten Betriebsmodus (40) und einem zweiten Betriebsmodus (42) arbeiten.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem während des ersten Betriebsmodus die erste Steuerungseinrichtung (40) dem Detonationsfluid (36) ermöglicht, periodisch in die Kammer (30) hinein zu strömen, während die zweite Steuerungseinrichtung (42) dem Oxidationsmittel (38) ermöglicht, periodisch in die Kammer (30) hinein zu strömen, wodurch die Erzeugung von Hochdruckwellen ermöglicht wird, die durch Pulsdetonationsereignisse erzeugt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die erste Steuerungseinrichtung (40) und die zweite Steuerungseinrichtung (42) betrieblich die Frequenz und die Amplitude der Hochdruckwellen variieren.
10. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem während des zweiten Betriebsmodus (42) die Steuerungseinrichtung (40) dem Detonationsfluid (36) ermöglicht, kontinuierlich in die Kammer (30) hinein zu strömen, und die zweite Steuerungseinrichtung (42) entweder dem Oxidationsmittel (38) ermöglicht, kontinuierlich in die Kammer (30) hinein zu strömen, oder das Oxidationsmittel (38) wahlweise daran hindert, in die Kammer (30) hinein zu strömen.
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