DE102004019970B4

DE102004019970B4 - Anordnung und Verfahren zum Einbringen eines Fluids in ein Arbeitsmedium einer Gasturbinenanlage mit einem Verdichter

Info

Publication number: DE102004019970B4
Application number: DE200410019970
Authority: DE
Inventors: Marco Dr. Tappen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2007-07-26
Anticipated expiration: 2024-04-24
Also published as: DE102004019970A1

Abstract

Anordnung (1) zum Einbringen eines Fluids in ein Arbeitsmedium (5) einer Gasturbinenanlage (7) mit einem Verdichter (17), gekennzeichnet durch eine Brenngaszweigleitung (31), eine Wasserleitung (35), und einer Zweistoffdüse (39), wobei die Zweistoffdüse (39) an die Wasserleitung (35) und die Brenngaszweigleitung (31) angeschlossen ist, und wobei die Zweistoffdüse (39) in den Ansaugbereich (9) für das Arbeitsmedium (5) vor oder am Verdichter (17) mündet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum Einbringen eines Fluids in ein Arbeitsmedium einer Gasturbinenanlage mit einem Verdichter.
Eine Gasturbine ist eine Kraftmaschine, welche die Wärmeenergie eines heißen Gases in mechanische Energie umsetzt. Gasturbinen werden in der Technik als Antriebsaggregate, beispielsweise zur Erzeugung von elektrischem Strom, eingesetzt. Unter einer Gasturbinenanlage versteht man im Allgemeinen nicht nur die Gasturbine selbst, sondern ein Aggregat aus verschiedenen Bestandteilen. Dazu gehören unter anderem die hintereinander geschalteten Bestandteile Verdichter, Brennkammer, Turbine und Generator.
Zunächst wird in einem Verdichter angesaugte Luft komprimiert. Zum Ansaugen der Luft dient in der Regel ein Ansaughaus. Der Verdichter weist reihenförmig, auf einer Hauptachse angeordnete Schaufelräder auf, die auch als Laufräder bezeichnet werden. Im Gehäuse des Verdichters sind darüber hinaus feststehende Leiträder angeordnet, welche die in den Laufrädern erzeugte kinetische Energie in Druck umwandeln. Die auf diese Weise komprimierte Luft – z. B. bis zu einem Verdichtungsverhältnis von 17, strömt hinter dem Verdichter einer Brennkammer zu, die mit mehreren Brennern die Luft durch Verbrennung eines Brennstoffs, z. B. in Form eines Brenngases oder in Form von Heizöl, bei modernen Maschinen auf eine Temperatur von über 1400°C, erhitzt. Vorliegend betrifft die Erfindung insbesondere solche Gasturbinen, bei der ein Brenngas verwendet wird, z. B. in Form von Erdgas oder Synthesegas (Hauptanteile CO, H₂ und ggf. Nebenanteile wie N₂, CO₂, Wasserdampf).
Das Heißgas strömt in der Regel von der Brennkammer in die Gasturbine ein und wird dort entspannt. Die axial austretenden Abgase aus der Gasturbine gelangen über einen Abgaskanal in einen Abhitzekessel oder direkt in einen Kamin.
Zum Antrieb von Maschinen, z. B. eines Generators, steht die Differenz aus der von der Gasturbine abgegebenen Leistung abzüglich der dem Verdichter zugeführten Leistung zur Verfügung.
Ziel einer Ausgestaltung einer Gasturbinenanlage ist es deshalb einen möglichst hohen Wirkungsgrad und eine gesteigerte elektrische Leistung zu erreichen. Insbesondere lässt sich der thermodynamische Wirkungsgrad des Verdichters dadurch verbessern, dass die Verdichtung bei einer geringeren mittleren Temperatur stattfindet. So kann der Wirkungsgrad, insbesondere des Verdichters, durch Zusatzeinrichtungen, wie Rückkühler oder Zwischenkühler und damit der Gesamtwirkungsgrad und die Leistung gesteigert werden. Allerdings sind solche Zusatzeinrichtungen teuer und häufig kommen sie aus wirtschaftlichen Überlegungen nicht in Frage.
Ferner ist bekannt, dass zur Erhöhung der Leistung und des Wirkungsgrads einer Gasturbine, und insbesondere eines Verdichters, Wasser in die Ansaugluft eines Verdichters der Gasturbinenanlage eingespritzt wird. Diese Maßnahme wird auch als "Wet Compression" oder "Fogging" bezeichnet. Das Wasser wird fein verteilt in Form von Tröpfchen in das Arbeitsmedium in Form der Ansaugluft eingespritzt. Die Tröpfchen gelangen mit der Ansaugluft in flüssiger Form in den Verdichter und werden mit der angesaugten Luft verdichtet. Die Verdichtung wiederum hat zur Folge, dass sich die Tröpfchen erwärmen und dabei verdampfen. Die für die Verdampfung notwendige Energie wird der Verdichterluft entnommen, die sich dabei erheblich abkühlt. Diese Abkühlung hat eine Absenkung der Temperatur der Verdichterluft zur Folge, was wiederum den thermodynamischen Wirkungsgrad des Verdichters erhöht. Insgesamt ergibt sich also für eine Gasturbinenanlage mit einem solchen Verdichter und einer erläuterten Anordnung zum Einbringen eines Fluids, z. B. in Form von Wasser, eine deutliche Leistungssteigerung.
Darüber hinaus sind verschiedene Systeme erhältlich, bei denen genauso viel Wasser in das Ansaughaus eingespritzt wird, dass dieses Wasser auf dem Weg zum Verdichtereintritt verdampft und dabei die angesaugte Verdichterluft abkühlt. Diese als Foggingsysteme bekannten Systeme erhöhen ebenfalls die GT-Performance.
Dabei hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, möglichst kleine Tröpfchen, d. h. mit einer möglichst geringen Tröpfchengröße zu erzeugen. Dazu wird bei den oben erläuterten Wet-Compression- und Fogging-Systemen das Wasser mit Einstoffdüsen – unter hohem Druck bei 80 bis 140 bar – eingespritzt. Auf diese Weise konnten Tröpfchengrößen im Bereich von 20 bis 30 μm erzielt werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass eine weitere Verringerung der Tröpfchengrößen nicht mehr im Rahmen des oben erläuterten Konzeptes möglich ist.

Die EP 1 557 359 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Anordnung zur Leistungs- und Wirkungsgraderhöhung in einer Gasturbinenanlage, bei dem eine Flüssigkeit in die Ansaugluft eines Verdichters der Gasturbinenanlage eingespritzt wird. Um möglichst kleine Tropfendurchmesser zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass die Flüssigkeit eine Oberflächenspannung vermindernde Substanz erhält.

Die EP 0781 909 A2 offenbart eine Gasturbine mit Wassereinspritzung sowie ein Betriebsverfahren. Hierbei weist die Gasturbine eine Flüssigkeitstropfen-Einspritzvorrichtung auf, welche eine Regelvorrichtung aufweist, die die Menge der Flüssigkeitstropfen regelt, so dass die Flüssigkeitstropfen in der Einlassluft verdampfen.

Die US 5 454 518 A betrifft eine ultrasonic fogging Anordnung.

Eine weitere Möglichkeit das Tröpfchengrößenproblem zu umgehen, besteht darin, ein Verfahren anzuwenden, wie es in den Offenlegungsschriften NL 100 9484 und NL 101 1383 beschrieben ist. Dabei wird beim Einspritzen des Wassers in die Ansaugluft eines Verdichters überhitztes Wasser verwendet. Beim Zerstäuben werden die zunächst entstehenden Tropfen aufgrund der bei niederem Druck einsetzten Verdampfung zerrissen, so dass letztendlich kleinere Tropfengrößen entstehen. Zur Erzeugung des überhitzten Wassers werden Zusatzeinrichtungen, wie Wärmetauscher, benötigt oder das Wasser muss dem angeschlossenen Dampfkreislauf bei GuD-Anlagen entnommen werden. Damit erhöhen sich nachteiligerweise die Anlagenkosten.

Ausgehend vom obigen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine An ordnung zum Einbringen eines Fluids in ein Arbeitsmedium einer Gasturbinenanlage mit einem Verdichter anzugeben, womit bzw. Leistung bzw. der Wirkungsgrad einer Gasturbinenanlage bzw. eines Verdichters erhöht ist.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung durch eine eingangs genannte Anordnung zum Einbringen eines Fluids in ein Arbeitsmedium einer Gasturbinenanlage mit einem Verdichter dadurch gelöst, dass erfindungsgemäß die Anordnung eine Brenngaszweigleitung, eine Wasserleitung und eine Zweistoffdüse aufweist, wobei die Zweistoffdüse an die Wasserleitung und die Brenngasleitung angeschlossen ist, und wobei die Zweistoffdüse in den Ansaugbereich für das Arbeitsmedium vor oder am Verdichter mündet.

Die Brenngaszweigleitung dient der Beaufschlagung der Zweistoffdüse mit Brenngas. Die Wasserleitung dient dabei der Beaufschlagung der Zweistoffdüse mit einem wässrigen Medium. Die Zweistoffdüse dient zur gleichzeitigen Abgabe des Brenngases und des wässrigen Mediums, also zur Abgabe als Zweistofffluid, in das Arbeitsmedium vor oder am Verdichter.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass der Leistungsgewinn und die Wirkungsgradsteigerung um so größer ist, je eher die mit der Anordnung erzeugten Tröpfchen im Verdichter verdampfen. Dabei hat die Erfindung erkannt, dass die Tröpfchengröße als Funktion einer üblicherweise verwendeten Einstoffdüse nicht mehr beliebig reduziert werden kann. Demgegenüber gelangt die Erfindung zu der Erkenntnis, dass die Verwendung einer Zweistoffdüse zur Einbringung eines Zweistofffluids in das Arbeitsmedium im Ansaugbereich vor oder am Verdichter zu einer weiteren Tröpfchengrößenverringerung führen wird. Das Zerstäubermedium – vorliegend in Form von Brenngas aus einer Brenngaszweigleitung – führt nämlich dazu, dass es in der Zweitstoffdüse zu einem Kollisionseffekt mit dem wässrigen Medium kommt, was zu einer Verringerung der Tröpfchengröße führt. Eine solche Tröpfchengröße wäre mit ei ner Einstoffdüse nicht zu erreichen und im Übrigen ist die Tröpfchengröße vorliegend weitgehend unabhängig von der Öffnungsweite der verwendeten Düse, da sie auf dem erläuterten Kollisionsprinzip beruht.

Darüber hinaus liegt der Erfindung die Überlegung zugrunde, dass sich Zweistoffdüsen besonders vorteilhaft im Rahmen der erläuterten Anordnung einsetzen lassen. Bisher kamen ausschließlich Einstoffdüsen zum Einsatz, da lediglich Wasser als ein Einstofffluid dem Arbeitsmedium zugegeben werden sollte, und zwar im Rahmen der üblichen Wet Compression. Die Erfindung hat zudem erkannt, dass die Verwendung von über eine Brenngaszweigleitung zur Verfügung gestelltem Brenngas als Zerstäubermedium in einer Zweistoffdüse im Rahmen der oben erläuterten Anordnung nicht nur überraschend gute Resultate hinsichtlich der Tröpfchengrößenverkleinerung zeigt, sondern auch gravierende Vorteile im Rahmen der oben erläuterten Anordnung mit sich bringt.

Dabei ist es überraschenderweise vorgesehen, eine Brenngaszweigleitung, über die genannte Zweistoffdüse, in den Ansaugbereich für das Arbeitsmedium vor oder am Verdichter münden zu lassen und auf diese Weise Brenngas in das Arbeitsmedium vor oder am Verdichter zu geben. Es hat sich jedoch gezeigt, dass dies erhebliche Vorteile mit sich bringt. So muss gegenüber herkömmlichen Zweistoffdüsen keine verdichtete Luft als Zerstäubermedium verwendet werden. Bei einer Verwendung einer herkömmlichen Einstoffdüse im Rahmen der oben erläuterten üblichen Wet Compression oder im Rahmen eines Foggingsystems müsste nämlich eine große Menge Verdichterluft aus dem Verdichter entnommen werden, was sich nachteilig auf den Wirkungsgrad auswirken könnte. Die großvolumige Entnahme verdichteter Luft aus dem Verdichter ist mit der vorliegenden Anordnung nicht vorgesehen. Vielmehr ist eine Brenngaszweigleitung vorgesehen, an die die Zweistoffdüse angeschlossen ist. Dies hat den Vorteil, dass der Brennstoff bereits vom Gaslieferanten mit einem genügend hohen Druck geliefert wird, so dass – im Unterschied zu einer Luftleitung – in einer Brennstoffleitung keine zusätzliche Verdichtung notwendig ist. Darüber hinaus sind die für Zweistoffdüsen erforderlichen Vordrücke deutlich geringer als bei Einstoffdüsen, so dass auf Hochdruckpumpen in einer Wasser- oder Brenngaszweigleitung verzichtet werden kann. Schließlich hat sich gezeigt, dass bei der Zugabe von Brennstoff in das Arbeitsmedium vor oder am Verdichter der Brennstoff bereits im Verdichter erwärmt wird, so dass sich bereits hier eine Vorwärmung des Brennstoffs ergibt und darüber wiederum eine vorteilige Beeinflussung des Wirkungsgrads.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zur Anordnung zu entnehmen, die weitere Möglichkeiten angeben, die oben erläuterte Anordnung hinsichtlich der Aufgabenstellung zu verbessern.

Prinzipiell könnte die Zweistoffdüse an einer jeden zweckmäßigen Stelle in den Ansaugbereich der Gasturbinenanlage münden. So kann beispielsweise eine Anzahl von Düsen am Verdichtereingang angebracht sein. Eine Anzahl von Düsen kann auch zusätzlich oder alternativ im Ansaughaus angeordnet sein. Eine Anzahl von Düsen kann auch an einer zweckmäßigen Stelle zwischen Ansaughaus und Verdichtereingang angebracht sein.

Es hat sich darüber hinaus als besonders vorteilhaft erwiesen, eine Düsenanorndung mit mindestens einer Zweistoffdüse vorzusehen. Die Düsenanordnung – beispielsweise in Form eines Düsenracks – kann dabei in einer Ansaugleitung eines Ansaugbereichs, ggf. bereits im Ansaughaus, angeordnet sein. Das Zweistofffluid aus Brenngas und wässrigem Medium sollte am Verdichtereingang bereits besonders gut mit dem Arbeitsmedium vermischt sein. Je größer der Abstand zum Verdichtereingang ist, je früher das Zweistofffluid in das Arbeitsmedium eingebracht wird, desto homogener ist die Einmischung des Zweistofffluids in das Arbeitsmedium.

Es hat sich gezeigt, dass die Brenngaszweigleitung vorteilhaft auf einen Druck von 20 bis 40 bar ausgelegt ist. Das Brenngas wird nämlich vom Netzbetreiber üblicherweise mit einem Druck von bis zu 80 bar zur Verfügung gestellt. Zum Betrieb der Gasturbine und zur Einbringung in eine Brennkammer wird das Brenngas üblicherweise auf einen Druck von ca. 30 bar gebracht, also im Bereich von 20 bis 40 bar, bereitgestellt. Eine Brenngaszweigleitung ist gemäß der Weiterbildung vorteilhaft eine von einer Brenngashauptleitung abzweigende Leitung, wobei die Brenngashauptleitung zur Brennkammer führt und die Brenngaszweigleitung zur Zweistoffdüse. Ein Druck der Brenngashauptleitung ist vollkommen ausreichend, um eine Zweistoffdüse zu betreiben. Es hat sich nämlich gezeigt, dass sogar bereits eine Zweistoffdüse, die mit einem Zweistofffluid bei 1 bis 10 bar betrieben wird, eine ausreichend geringe Tröpfchengröße erzeugt. Der in einer Brenngaszweigleitung herrschende Druck von 20 bis 40 bar ist also besonders gut geeignet, um eine besonders kleine Tröpfchengröße zu erzeugen. Vorverdichter, wie sie bei einer Luftleitung notwendig gewesen wären, können hier entfallen. Bei Bedarf kann der Brenngasdruck in der Zweigleitung gedrosselt werden, vorzugsweise auf 1 bis 10 bar.

Darüber hinaus ist es auch zweckmäßig, die Wasserleitung auf einen Druck von 1 bis 10 bar auszulegen. Bei der üblichen Wet Compression sind Wasserleitungen dagegen bei 80 bis 140 bar auszulegen, um eine möglichst geringe Tröpfchengröße zu erreichen. Gemäß dieser Weiterbildung ist es zum Teil bereits ausreichend, einen Druck in der Wasserleitung von 1 bis 3 bar vorzusehen.

Es hat sich damit gezeigt, dass das oben erläuterte Konzept besonders vorteilhaft im Rahmen einer Gasturbinenperipherie umgesetzt werden kann, da einerseits Brenngas für eine Brenngaszweigleitung bereits mit ausreichend hohem Druck für eine Zweistoffdüse zur Verfügung gestellt ist und andererseits ei ne Wasserleitung mit einem geringen Druck ausgelegt werden kann.

Gemäß einer Weiterbildung ist in der Brenngaszweigleitung eine Druck- und/oder Mengenregelungseinrichtung zur Anpassung des Druckes und/oder der Menge des Brenngases auf die Zweistoffdüse vorgesehen. Entsprechend ist in der Wasserleitung eine Druck- und/oder Mengenregelungseinrichtung zur Anpassung des Druckes und/oder der Menge des wässrigen Mediums auf die Zweistoffdüse vorgesehen. Dies kann jeweils eine geeignete Drosseleinrichtung sein, die jeweils so ausgelegt ist, dass die Zweistoffdüse mit einem Druck bei 1 bis 10 bar beaufschlagt wird.

Die Druck- und/oder Mengenregelungseinrichtungen dienen zur Angleichung der unterschiedlichen Drücke in einer Brenngaszweigleitung und der Wasserleitung und zur Mengenregelung der in der jeweiligen Leitung geführten fluiden Medien. Dabei ist ein vorteilhaftes Verhältnis von Brenngas zu wässrigem Medium in der Zweistoffdüse einstellbar. Z. B. kann das Brenngas von einem an der Brenngaszweigleitung herrschenden Druck von 20 bis 40 bar auf einen Druck im Bereich von 1 bis 10 bar, vorzugsweise 3 bar, heruntergedrosselt werden. Das wässrige Medium kann beispielsweise von einem Druck bei 10 bar auf einen Druck von 3 bar gedrosselt werden.

Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist eine Verdichterleitung vorgesehen, die ausgehend vom Verdichter vor der Zweistoffdüse in die Brenngaszweigleitung mündet. Eine solche optionale Verdichterleitung bringt vorteilhaft verdichtete Luft in die Brenngaszweigleitung ein. Die aus dem Verdichter abgezogenen Luftmengen sind dabei so gering, dass sie praktisch keinen Einfluss auf den Wirkungsgrad des Verdichters haben. Demgegenüber kann die in die Brenngasleitung eingebrachte Luft, gegebenenfalls als Luft-/Dampfgemisch, dazu führen, dass eine besonders kleine Tröpfchengröße erreicht wird.

Die Erfindung führt auch auf einen Verdichter mit einer Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und auf eine Gasturbinenanlage mit einem Verdichter der genannten Art sowie einer Brennkammer und einer Turbine.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch das eingangs genannte Verfahren gelöst, bei dem erfindungsgemäß eine Zweistoffdüse mit einem wässrigen Medium beaufschlagt wird, die Zweistoffdüse mit einem Brenngas beaufschlagt wird und das wässrige Medium und das Brenngas als Zweistofffluid in das Arbeitsmedium vor oder am Verdichter gegeben wird.

Ein solches Verfahren führt im Wesentlichen zu den oben im Zusammenhang mit der Anordnung erläuterten Vorteilen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Verfahrensunteransprüchen zu entnehmen, die weitere Möglichkeiten angeben, das Verfahren hinsichtlich der Aufgabenstellung zu verbessern.

Das wässrige Medium und das Brenngas lassen sich besonders vorteilhaft bei einem Düsendruck von 1 bis 10 bar, vorteilhaft bei einem Düsendruck von 1 bis 4 bar, in das Arbeitsmedium geben. Dies ist eine erheblicher Vorteil der zu verwendenden Zweitstoffdüse.

Unabhängig davon kann die Zweistoffdüse mit Brenngas bei 20 bis 40 bar beaufschlagt werden. Ebenso zweckmäßig erweist es sich im Rahmen des Verfahrens, dass die Zweistoffdüse mit wässrigem Medium bei 1 bis 10 bar beaufschlagt wird.

Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung lässt sich das Verfahren so durchführen, dass das wässrige Medium in dem Zweistofffluid in Form von Tröpfchen mit Tröpfchengrößen im Rahmen einer Rosen-Rammler-Sperling-Bennet-Verteilung (RRSB-Verteilung) verteilt wird. Eine solche Vertei lung stellt sich besonders vorteilhaft bei einer Verwendung einer Zweitstoffdüse ein.

Als erheblicher Vorteil des oben vorgeschlagenen neuen Verfahrenskonzepts hat sich gezeigt, dass ein Tröpfchenspektrum hinsichtlich der Tröpfchengröße gegenüber dem einer Einstoffdüse um einen Faktor von zwei bis drei oder mehr reduziert werden kann. Zweckmäßigerweise wird das wässrige Medium in dem Zweistofffluid in Form von Tröpfchen, und mehr als die Hälfte der Tröpfchen mit einer Tröpfchengröße mit 5 bis 10 μm verteilt. Demgegenüber lag die untere Grenze einer Tröpfchengröße bei einer Einstoffdüse im Bereich von 20 bis 30 μm. Eine Verringerung der Tröpfchengröße führt zu ganz erheblichen Vorteilen. So lässt sich der Wirkungsgrad und die Leistung einer Gasturbinenanlage bzw. eines Verdichters schon allein dadurch steigern, dass bei gleicher eingespritzter Wassermenge ein größerer Effekt im Rahmen der oben erläuterten Überlegungen erzielt werden kann, da die kleineren Tröpfchen früher verdampfen als die größeren Tröpfchen. Darüber hinaus hat sich auch gezeigt, dass bei der Erzeugung kleinerer Tröpfchen eine wesentlich geringere Erosion an einer Verdichterbeschaufelung festzustellen ist, was wiederum die Standzeit einer solchermaßen ausgerüsteten Gasturbinenanlage erhöht.

Vorzugsweise wird bei dem Verfahren das Brenngas als Synthesegas und/oder Erdgas zur Verfügung gestellt.

Darüber hinaus kann das Brenngas vorteilhafterweise mit einem Dampf-/Luftgemisch aus dem Verdichter versetzt werden. Dies führt zu einer Verbesserung des Tröpfchenspektrums hinsichtlich einer Verkleinerung der Tröpfchengröße, ohne den Wirkungsgrad des Verdichters durch die Entnahme des Dampf-/Luftgemisches zu verringern. Außerdem lässt sich eine Menge des Brenngases derart verdünnen, dass je nach Umständen die Verwendung des Brenngases nach sicherheitstechnischen Aspekten unbedenklich ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht maßgeblich darstellen; vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Im Einzelnen zeigt die Zeichnung in:
1 eine besonders bevorzugte Ausführungsform einer Anordnung zum Einbringen eines Fluids in ein Arbeitsmedium bei einer Gasturbinenanlage;
2 eine beispielhafte Ausführungsform einer Zweistoffdüse, wie sie in einer Anordnung gemäß 1 verwendet werden kann.
1 zeigt eine Anordnung 1 zum Einbringen eines Zweistofffluids 3 in ein Arbeitsmedium 5 in Form von Ansaugluft einer Gasturbinenanlage 7. Die Gasturbinenanlage 7 weist einen Ansaugbereich 9 mit einem Ansaughaus 11, mit einer Ansaugleitung 13 und einem Eingangsbereich 15 eines Verdichters 17 auf.
Die Gasturbinenanlage weist als Bausteine den Verdichter 17, eine Brennkammer 19, eine Turbine 21 und einen Generator 23 auf. Das im Verdichter 17 verdichtete Arbeitsmedium 5 in Form von Ansaugluft wird in verdichteter Form zusammen mit Brennstoff der Brennkammer 19 zugeführt. Der Brennstoff wird der Brennkammer dabei über eine Hauptbrenngasleitung 25 zugeführt, die über eine Mengenmesseinrichtung 27 aus einem Brenngasnetz 29 befüllt wird. Dies hat zur Folge, dass Brenngas, vorliegend in Form von Synthesegas – alternativ oder zusätzlich könnte auch Erdgas verwendet werden – bei einem Druck von 30 bar in der Peripherie der Turbinenanlage 7 zur Verfügung steht. Der zusammen mit dem Arbeitsmedium in Form von Ansaugluft in der Brennkammer 19 verbrannte Brennstoff wird bei Drücken von zum Teil über 200 bar und 1000°C der Turbine 21 zugeführt, welche die Energie des aus der Brennkammer ausströmenden Heißgases in kinetische Energie umsetzt, die wiederum im Generator 23 zu elektrischem Strom umgesetzt wird.
In der Peripherie der Gasturbinenanlage 7 zeigt die 1 vorliegend eine besonders bevorzugte Anordnung 1 zum Einbringen des Fluids 3 in das Arbeitsmedium 5. Die Anordnung 1 weist dazu eine Brenngaszweigleitung 31 auf, die über eine Druck- und Mengenregelungseinrichtung 33 aus der Brenngashauptleitung 25 versorgt wird und von dieser abzweigt. Die Anordnung 1 weist darüber hinaus eine Wasserleitung 35 auf, die mit einem wässrigen Medium, vorliegend in Form von Wasser, bei einem Druck von ca. 3 bar beaufschlagt ist.
Darüber hinaus ist die Anordnung 1 mit einer Düsenanordnung 37 in Form eines Düsenracks versehen, wobei die Düsenanordnung 37 eine Anzahl von Zweistoffdüsen 39 aufweist. Eine Zweistoffdüse 39 ist dabei an die Wasserleitung 35 und die Brenngaszweigleitung 31 angeschlossen. Darüber hinaus ist gemäß dem vorliegenden Konzept vorgesehen, dass eine Zweistoffdüse 39 in den Ansaugbereich 9 für das Arbeitsmedium 5 vor oder am Verdichter 17 mündet. In der hier gezeigten besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Düsenanordnung 37 mit den Zweistoffdüsen 39 in der Ansaugleitung 13 des Ansaugbereichs 9 angeordnet. Auf dem gestrichelt mit Pfeilen versehenen Weg des Zweistofffluids aus Brenngas und Wasser bis zum Eingangsbereich 15 des Verdichters besteht also ausreichend Zeit für eine homogene und innige Vermischung des Zweistofffluids 3 mit der Ansaugluft 5. Je länger dieser Weg ist, desto homogener wird die Mischung am Eingangsbereich 15 des Verdichters sein. Die vorliegend gezeigte Ausführungsform der Anordnung 1 kann also zweckmäßigerweise und je nach Bedarf noch dadurch verbessert werden, dass die hier gezeigte Düsenanordnung 37 in Richtung des Ansaughauses 11 verschoben wird. Alternativ oder zusätzlich lassen sich darüber hinaus weitere Düsenan ordnungen ähnlich der Düsenanordnung 37 im Ansaugbereich 9 vorsehen. Beispielsweise kann darüber hinaus auch eine Anzahl von Zweistoffdüsen 39 im Eingangsbereich 15 des Verdichters vorgesehen sein. Im Vergleich zu üblicherweise genutzten Systemen der "Wet Compression" oder des "Fogging" wird mit der hier gezeigten Anordnung eine besonders bevorzugte Rosen-Rammler-Sperling-Bennet-Verteilung (RRSB-Verteilung) von Tröpfchengrößen erzeugt, wobei vorzugsweise mehr als die Hälfte der Tröpfchen mit einer Größe von 1 bis 10 μm in der Ansaugluft verteilt werden. Die RRSB-Verteilung ist vor allem durch die Parameter d, betreffend den mittleren Tropfendurchmesser, und x, betreffend die Bandbreite der Tropfendurchmesser, gekennzeichnet.
Bei bisher mit Einstoffdüsen betriebenen üblichen Systemen liegt d bei wenigstens 20 μm oder mehr. Die Bandbreite x kann Tropfendurchmesser zwischen 16 μm und 100 μm umfassen.
Dagegen wird durch das hier vorgeschlagene Konzept, bei dem wässriges Medium 36 und Brenngas 32 über eine Zweistoffdüse 39 in das Arbeitsmedium 5 gegeben wird, ein mittlerer Tropfendurchmesser d bei 5 μm oder weniger erreicht. Selbst wenn größere Tropfendurchmesser eingestellt werden, z. B. bei d = 20 μm, so ist die Bandbreite der Tropfendurchmesser bei dem vorgeschlagenen Konzept deutlich verringert. Bei obigem Beispiel von d = 20 μm umfasst die Bandbreite x gemäß dem neuen Konzept Tropfendurchmesser, die lediglich zwischen ca. 16 μm und 25 μm liegen.
Insbesondere lässt sich gemäß dem neuen Konzept erreichen, dass ca. 36 % der Tropfen einen Durchmesser kleiner als den mittleren Durchmesser d haben. Dies führt auf eine Reduzierung der effektiven Tröpfchengröße um einen Faktor von mehr als zwei bis drei gegenüber der mit Einstoffdüsen ausgeführten "Wet Compression" oder des "Fogging".
Bei der hier gezeigten besonders bevorzugten Anordnung 1 werden aufgrund der geringen Tröpfchengröße die Tröpfchen im Verdichter besonders früh verdampft, da die besonders kleinen Wassertröpfchen sich bereits zu einem frühen Zeitpunkt der Verdichtung stark erwärmen. Die für die Verdampfung notwendige Energie wird der Verdichterluft also zu einem besonders früheren Zeitpunkt entnommen, was zu einer erheblichen Abkühlung der Verdichterluft bereits im Eingangsbereich 15 des Verdichters 17 führt. Dies führt zu einer deutlicheren Steigerung des Wirkungsgrads und der Leistung der Gasturbinenanlage 7 im Vergleich zur üblichen "Wet Compression".
Darüber hinaus hat die hier gezeigte Anordnung 1 den Vorteil einer Verdichterleitung 41, die vom Verdichter 17 ausgeht und vor der Düsenanordnung 37 in die Brenngaszweigleitung 31 mündet. Auf diese Weise wird das Brenngas mit einem Dampf-/Luftgemisch aus dem Verdichter 17 versetzt. Dies wiederum führt zu einer weiteren Verkleinerung der Tröpfchengröße im Zweistofffluid 3. Dies wiederum führt zu einer noch weiteren Absenkung der Temperatur der Ansaugluft im Verdichter und damit zu einer Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrads des Verdichters.
Neben der erläuterten Wirkungsgradverbesserung führt die Verringerung der Tröpfchengröße auch zu einer geringeren Erosion oder zur völligen Beseitigung der Erosion an der Verdichterbeschaufelung, da die Tröpfchen bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt im Verdichter verdampfen.
Im Übrigen bringt die Verwendung von Brenngas in einer Brenngaszweigleitung 31 den Vorteil mit sich, dass dieses bereits ohne eine zusätzliche Verdichtung bei einem Druck von 30 bar für eine Zweistoffdüse zur Verfügung steht. Dabei weist die Zweistoffdüse 39 bereits den Vorteil auf, dass sie bereits bei einem Druck von einigen bar effektiv zu einer Tröpfchengröße im Bereich von 5 bis 10 μm führt. Bei einem zur Verfügung stehenden Druck von 30 bar des Brenngases arbeitet eine Zweitstoffdüse 39 also in einem sehr effektiven Bereich. Über die Druckeinstellung des Wassers in der Wasserleitung 35 (ca. 3 bar oder 1-10 bar) und des Brenngases in der Brenngaszweigleitung 31 (ca. 30 bar oder 20-40 bar), beispielsweise jeweils mit einer Drossel, lässt sich auch eine vorteilhafte Mischung von wässrigem Medium und Brenngas in einer Zweistoffdüse 39 einstellen, so dass eine für die Tröpfchengrößenverkleinerung vorteilhafte Mischung erreicht wird und Kollisionseffekte in der Zweistoffdüse 39 zu einer besonders geringen Tröpfchengröße führen. Die Zweistoffdüse wird vorzugsweise bei Drücken von jeweils 1 bis 10 bar, vorteilhaft bei 3 bar oder 5 bar, beaufschlagt.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform einer Zweistoffdüse 39 ist in der 2 gezeigt. Die Zweistoffdüse 39 weist ein Gehäuse 43 auf und ist in einer zentralen Leitungsführung 45 an die Wasserleitung 35 angeschlossen. In einer die zentrale Führung 45 zylindrisch umgebenden Führung 47 ist über einen seitlichen Anschluss 49 die Brenngaszweigleitung 31 angeschlossen. Auf diese Weise wird in der zentralen Führung 45 das Wasser 36 zugeführt und in der peripheren Führung 47 das Brenngas 32 zugeführt. In einem vorderen der Spitze 49 nahen Bereich des Gehäuses 43 enden die zentrale Führung 45 und die periphere Führung 47 in einer gemeinsamen Düsenöffnung 51. In dieser führt die Kollision des Wassers 36 und des Brenngases 32 zu einer Zerstäubung des Wassers 36 in eine Vielzahl von Tröpfchen 53 außerhalb des Düsengehäuses 43. Mit zunehmendem Abstand 55 von der Düsenöffnung 51 führt die Ausbreitung der Tröpfchen 53in einer Ansaugluft 5 zur innigen Vermischung des Zweistofffluids 3 mit der Ansaugluft 5.
Zur Steigerung der Leistung und des Wirkungsgrads einer Gasturbinenanlage 7 wird eine Anordnung 1 zum Einbringen eines Fluids in ein Arbeitsmedium 5 einer Gasturbinenanlage 7 mit einem Verdichter 17 gemäß dem vorgeschlagenen Konzept dadurch verbessert, dass eine Brenngaszweigleitung 31, eine Wasserleitung 35 und eine Zweistoffdüse 39 vorgesehen ist, wobei die Zweistoffdüse 39 an die Wasserleitung 35 und die Brenngaszweigleitung 31 angeschlossen ist, und wobei die Zweistoffdüse 39 in den Ansaugbereich 9 für das Arbeitsmedium 5 vor oder am Verdichter 17 mündet. In einem entsprechenden Verfahren wird ein wässriges Medium 36 und ein Brenngas 32 als Zweistofffluid 3 in das Arbeitsmedium 5 vor oder am Verdichter 17 gegeben.

Claims

Anordnung (1) zum Einbringen eines Fluids in ein Arbeitsmedium (5) einer Gasturbinenanlage (7) mit einem Verdichter (17), gekennzeichnet durch eine Brenngaszweigleitung (31), eine Wasserleitung (35), und einer Zweistoffdüse (39), wobei die Zweistoffdüse (39) an die Wasserleitung (35) und die Brenngaszweigleitung (31) angeschlossen ist, und wobei die Zweistoffdüse (39) in den Ansaugbereich (9) für das Arbeitsmedium (5) vor oder am Verdichter (17) mündet.
Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Düsenanordnung (37) mit mindestens einer Zweistoffdüse (39), wobei die Düsenanordnung (37) in einer Ansaugleitung (13) eines Ansaugbereiches (9) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenngaszweigleitung (31) auf einen Druck von 20 bis 40 bar ausgelegt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserleitung (35) auf einen Druck von 1-10 bar ausgelegt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenngaszweigleitung (31) eine Druck- und/oder Mengenregelungseinrichtung (33) zur Einpassung des Druckes und/oder der Menge eines Brenngases (32) auf die Zweistoffdüse (39) aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserleitung (35) eine Druck- und/oder Mengenregelungseinrichtung (33) zur Einpassung des Druckes und/oder der Menge eines wässrigen Mediums (36) auf die Zweistoffdüse (39) aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Verdichterleitung (41), die ausgehend vom Verdichter (17) vor der Zweistoffdüse (39) in die Brenngaszweigleitung (31) mündet.
Verfahren zum Einbringen eines Fluids in ein Arbeitsmedium (S) einer Gasturbinenanlage (7) mit einem Verdichter (17), dadurch gekennzeichnet, dass eine Zweistoffdüse (39) mit einem wässrigen Medium (36) beaufschlagt wird, die Zweistoffdüse (39) mit einem Brenngas (32) beaufschlagt wird und das wässrige Medium (36) und das Brenngas (32) als Zweistofffluid (3) in das Arbeitsmedium (5) vor oder am Verdichter (17) gegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das wässrige Medium (36) und das Brenngas (32) bei 1-10 bar Düsendruck in das Arbeitsmedium (5) gegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweistoffdüse (39) mit Brenngas (32) bei 1-10 bar beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweistoffdüse (39) mit wässrigem Medium (36) bei 1-10 bar beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das wässrige Medium (36) in dem Zweistofffluid (3) in Form von Tröpfchen (53) mit Tröpfchengrößen im Rahmen einer Rosen-Rammler-Sperling-Benett-Verteilung verteilt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das wässrige Medium (36) in dem Zweistofffluid (3) in Form von Tröpfchen (53) und mehr als die Hälfte der Tröpfchen mit einer Tröpfchengröße von 5-10 μm verteilt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Brenngas (32) als Synthesegas und/oder Erdgas zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Brenngas (32) mit einem Dampf-Luftgemisch aus dem Ver– dichter (17) versetzt wird.