DE102004051260A1

DE102004051260A1 - Gasturbogruppe

Info

Publication number: DE102004051260A1
Application number: DE200410051260
Authority: DE
Inventors: Flavio Dr. Ferrari; Jürgen Dr. Hoffmann; Carlos Dr. Jimenez Härtel; Daniel Klaesson; Sasha Dr. Savic
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2003-10-30
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2005-05-25

Abstract

Eine Gasturbogruppe umfasst einen Verdichter (1), eine Brennkammer (2) und eine Turbine (3) sowie Mittel zur Eindüsung eines inerten Mediums in das Arbeitsmittel der Gasturbogruppe stromab des Verdichters. Diese Mittel umfassen ihrerseits wenigstens eine Eindüsungsstelle, eine Vorrichtung (6) zur Bereitstellung einer Flüssigkeit sowie eine Förderpumpe (7) zur Unterdrucksetzung der Flüssigkeit. Die Gasturbogruppe umfasst weiterhin einen stromauf des Verdichters angeordneten Zuströmkanal für dem Verdichter zuströmende Luft, in welchem Zuströmkanal eine Zerstäubungsvorrichtung (11) für eine Flüssigkeit angeordnet ist. Stromab der Pumpe (7) zweigt aus einer von der Pumpe zu der Eindüsungsstelle führenden Leitung wenigstens eine zu der Zerstäubungsvorrichtung (11) führende Leitung (14) ab.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbogruppe gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein vorteilhaftes Betriebsverfahren.

Es ist im Stand der Technik beispielsweise aus der DE 25 49 790 wohlbekannt, eine Flüssigkeit in den Ansaugtrakt von Verbrennungskraftmaschinen, wie beispielsweise Gasturbogruppen, einzudüsen. Durch die Verdunstung der Flüssigkeit wird die Ansaugluft abgekühlt, und die Leistung erhöht. Der Effekt lässt sich weiter steigern, wenn der eingespritzte Flüssigkeitsmassenstrom so gross gewählt ist, dass die Ansaugluft diesen nicht mehr aufzunehmen vermag, also mit Flüssigkeit übersättigt wird, derart, dass wenigstens ein Teil der Flüssigkeit erst während der Verdichtung verdampft. Wenn also Flüssigkeitstropfen in den weitgehend adiabaten Turboverdichter einer Gasturbogruppe eindringen, so resultiert aus der Verdunstung im Verdichter eine intensive Innenkühlung, und die Leistungsaufnahme des Verdichters wird verringert, was die Netto-Leistungsabgabe der Gasturbogruppe signifikant zu erhöhen vermag. Dieses Verfahren ist unter anderem als "Overfogging" oder "Wet Compression" bekanntgeworden. Daneben wird die reine Verdunstungskühlung der Ansaugluft durch eingespritzte Flüssigkeitstropfen als "Fogging" bezeichnet.

Bereits in der FR 1,563,749 ist die Zerstäubungsgüte als kritische Grösse für die Durchführung eines derartigen Verfahrens beschrieben. Im Stand der Technik werden hierzu einerseits in der EP 781909 luftunterstützte Zerstäuberdüsen vorgeschlagen. Deren Nachteil ist der Verbrauch an verdichteter Luft, welcher die erschliessbaren Leistungspotenziale wiederum vermindert. Weiterhin werden beispielsweise in US 4,731,909 Ultraschall-Zerstäuber beschrieben. In der praktischen Anwendung finden aufgrund der Einfachheit Druckzerstäuberdüsen Anwendung, oder auch die sogenannte Swirl-Flash-Technologie, die aus der WO 9967519 bekanntgeworden ist. Für die Druckzerstäubung werden hohe Flüssigkeitsdrücke benötigt, die üblicherweise eine Grössenordnung von 50 bar deutlich überschreiten, und durchaus 100 bis über 150 bar erreichen. Dabei werden Massenströme von einigen % des Luftmassenstroms gefördert; eine typische Grössenordnung bei heute üblichen Gasturbogruppen mit Leistungen von 150 MW und mehr liegt bei rund 50 kg/s Wasser, wobei diese Zahl beliebig nach oben abweichen kann. Daraus wird die Grösse der benötigten Wasserpumpen deutlich, welche einen erheblichen Kostenaufwand verursacht. Weiterhin müssen grosse Wassermassenströme geeignet aufbereitet werden.

Zusammenfassend bedingt die Bereitstellung des Flüssigkeitsmassenstroms für die oben beschriebene Flüssigkeitseinspritzung einen erheblichen Komponentenaufwand und verursacht erhebliche Kosten.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbogruppe der eingangs genannten Art anzugeben, welche die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden vermag.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe unter Verwendung der Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Kern der Erfindung ist es also, ohnehin vorhandene Komponenten zur Bereitstellung des notwendigen Druck-Wassermassenstroms zu verwenden. Die Erfindung geht dabei von einer Kraftwerksanlage aus, welche eine Gasturbogruppe umfasst, welche Mittel zur Wasser- und/oder Dampfeinspritzung im Heissgasteil stromab des Verdichters, insbesondere in der Brennkammer aufweist. Weitere mögliche Eindüsungsorte sind stromauf der Brennkammer, oder in der Turbine oder zwischen Turbine und Brennkammer. Eine Eindüsung in die Brennkammer dient beispielsweise der Stickoxidminderung. Sogenanntes "Wet NOx Control" wird üblicherweise bei Gasturbogruppen verwendet, welche mit Flüssigbrennstoff gefeuert werden. Es wird weiterhin auch bei gasgefeuerten Gasturbogruppen eingesetzt, wenn diese mit Diffusionsbrennern bestückt sind. Durch das Eindüsen von Wasser oder Dampf in die Verbrennungszone werden die Temperaturspitzen gedämpft, was in niedrigeren Stickoxidemissionen resultiert.

Die Einspritzung von Wasser oder Dampf findet auch zur Leistungssteigerung von Gasturbogruppen Verwendung.

Die Erfindung macht davon Gebrauch, dass eine derartige Gasturbogruppe bereits über eine Wasseraufbereitungsanlage oder eine andere Vorrichtung zur Bereitstellung einer geeigneten Flüssigkeit und eine Förderpumpe zur Aufbereitung und zur Bereitstellung eines hinreichend grossen Flüssigkeitsmassenstroms bei hinreichend hohem Druck verfügt. Hierzu zweigt stromab der Förderpumpe eine Zuführleitung ab, welche zu der eingangs erwähnten Zerstäubungsvorrichtung im Ansaugtrakt der Gasturbogruppe führt. Bevorzugt ist in der Zuführleitung wenigstens ein Absperr- und Drosselorgan angeordnet. Dabei kann es sich um ein getrenntes Absperrorgan und ein Druckregelventil handeln.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird das Wasser stromab der Pumpe zur Erwärmung und gegebenenfalls zur Verdampfung durch Wärmetauscherrohre geleitet, welche beispielsweise als Abgaswärmetauscher der Gasturbogruppe angeordnet sind, derart, dass Wärme aus dem Abgas der Gasturbogruppe zur Erwärmung des Wassers genutzt wird. Dabei zweigt die Zuführleitung stromab wenigstens eines Teils des Abgaswärmetauschers ab. In einer Vorzugsvariante ist eine Bypassleitung angeordnet welche stromauf des Wärmetauschers abzweigt, und in die Zuführleitung mündet, über welche stromauf des Wärmetauschers entnommenes Wasser dem erwärmten Wasser in der Zuführleitung beigemischt werden kann. Vorzugsweise weist die Bypassleitung und/oder der über den Wärmetauscher führende Strömungsweg ein Absperr- oder Drosselorgan auf. Dies ermöglicht eine variable Einstellung der Temperatur des Wassers, das der Einspritzvorrichtung zugeführt wird, oder eine Regelung auf einen Sollwert.

In einer weiteren Ausführungsform zweigt die Zuführleitung unmittelbar stromab der Pumpe ab, und führt stromab der Abzweigung durch einen Wärmetauscher, insbesondere Abgaswärmetauscher, zur Erwärmung des Wassers. Auch hier ist es von Vorteil, wenn eine Bypassleitung den Wärmetauscher umgeht und wenigstens die Bypassleitung oder die durch den Wärmetauscher führende Leitung drosselbar ist, wodurch die Temperatur des in die Ansaugluft einzuspritzenden Wassers variiert oder auf einen Sollwert eingeregelt werden kann.

Die Regelung der Temperatur des Einspritzwassers auf einen konstanten Temperatursollwert kann einerseits verwendet werden, um unterschiedliche thermische Dehnungen der Einspritzvorrichtung zu vermeiden oder zu begrenzen.

Die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen eignen sich ebenfalls hervorragend zur Verwendung in Verbindung mit sogenannten "Swirl Flash" Eindüsungsvorrichtungen, wie sie aus WO 9967519 bekannt sind. Dabei wird mit Vorteil die Temperatur des in die Ansaugluft einzudüsenden Wassers als Regelgrösse für die Regelung der Anteile des vorgewärmten und nichtvorgewärmten Wassers herangezogen, und diese Temperatur wird auf einen Sollwert geregelt, der beispielsweise bei 200°C liegt, wobei sich das Wasser selbstverständlich unter Druck befindet.

Die regelbare Vorwärmung des einzuspritzenden Wassers kann aber auch ganz besonders vorteilhaft zur Verhinderung von Eisbildung am Verdichtereintritt verwendet werden. Eisbildung im Verdichtereintritt kann einerseits bei bestimmten Umgebungstemperatur- und Feuchtebereichen auftreten, aber auch, wenn die Leistungssteigerung durch sogenanntes Overfogging, also die Verdampfung von Tropfen während der Verdichtung, bei Umgebungszuständen erwünscht ist, welche an sich noch keine Eisgefahr bergen, bei denen aber die blosse Verdunstungskühlung der Ansaugluft eine Abkühlung bis zur potenziellen Eisbildung bewirkt. Dabei wird in einer Ausführungsform die Temperatur im Zuströmkanal stromab der Zerstäubungsvorrichtung und stromauf des Verdichtereintritts gemessen, und auf einen Mindestwert oder Sollwert eingeregelt, indem bei anderweitig, beispielsweise durch einen Leistungsregler der Gasturbogruppe, vorgegebenem Wassereinspritzmassenstrom das Verhältnis von vorgewärmtem zu nicht vorgewärmtem Wasser abhängig von dieser gemessenen Temperatur variiert wird. So wird in einer Ausführungsform ein vorgewärmter Wassermassentrom mit einem zweiten, über eine Bypassleitung herangeführen nicht vorgewärmten Wassermassenstrom vermischt. Bevorzugt sind beide Teilströme regulierbar, indem die jeweiligen Leitungen drosselbar sind. Wenn die Temperatur am Verdichtereintritt oberhalb des Sollwertes liegt, wird der über den Wärmetauscher strömende vorgewärmte Teilstrom gedrosselt und damit der Anteil an nicht vorgewärmtem Wasser erhöht. Die Temperatur des in die Ansaugluft eingedüsten Wassers und damit der Ansaugluft am Verdichtereintritt sinkt demnach. Bei sehr hohen Umgebungstemperaturen und hoher Umgebungsfeuchte, wenn also der Verdunstungskühlungseffekt keine sehr niedrige Verdichtereintrittstemperatur zu bewirken vermag, strömt dann der gesamte Wassermassenstrom über die Bypassleitung. Umgekehrt kann bei Unterschreiten einer Solltemperatur am Verdichtereintritt der Anteil an vorgewärmtem Wasser erhöht werden, um somit gegebenenfalls der Eisbildung vorzubeugen. Der Gesamtmassenstrom wird beispielsweise durch die Leistungsregelung der Gasturbogruppe unabhängig vom oben beschriebenen Regelvorgang bestimmt.

In einer weiteren Ausführungsform ist in der Zuführleitung ein Kühler für das einzudüsende Wasser angeordnet. Der Kühler kann alternativ zu einer regelbaren Vorwärmung oder zusätzlich angeordnet sein. Der Kühler kann wie oben dargelegt betrieben werden, um das einzudüsende Wasser auf eine konstante Temperatur einzuregeln. Damit können thermische Dehnungen der Einspritzvorrichtung vermieden werden. In einer anderen bevorzugten Betriebsweise mit einem Kühler ist bevorzugt im Verdichtereinlass eine Temperaturmessstelle angeordnet. Die Kühlungsleistung des Wassers kann dann so geregelt werden, dass die Temperatur am Verdichtereinlass der Gasturbogruppe möglichst gering ist, was einer maximalen Leistung und einem maximalen Wirkungsgrad der Gasturbogruppe zuträglich ist, und andererseits eine aufgrund potenzieller Eisbildung im Verdichtereinlass zulässige Minimaltemperatur nicht unterschritten wird. Selbstverständlich muss dann auch die Temperatur des Einspritzwassers stromab des Kühlers erfasst werden, und die Kühlungsleistung muss so begrenzt werden, dass diese Temperatur einen gewissen Sicherheitsabstand zum Gefrierpunkt der Flüssigkeit wahrt.

Die im Zusammenhang mit der Erfindung vorgeschlagene Vermischung von vorgewärmten und nicht vorgewärmten Medien weist erhebliche Vorteile gegenüber einer in US 6,216,443 vorgeschlagenen Vermischung innerhalb eines hilfsmedienunterstützten Zerstäubers auf. Einerseits kann die in US 6,216,443 vorgeschlagene Lösung eben nur im Zusammenhang mit hilfsmedienunterstützten Zerstäubern Verwendung finden; die Anwendung in den konstruktiv besonders einfachen Druckzerstäuber- oder Flash-Eindüsungsvorrichtungen verbietet sich von selbst. Weiterhin ermöglicht die im Zusammenhang mit der Erfindung vorgeschlagene Ausführungsform eine Einstellung, Regelung, und Begrenzung der Temperatur der Zerstäubungsflüssigkeit, auch in einem geschlossenen Regelkreis.

Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung illustrierten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:
1 eine erste Ausführungsform der Erfindung;
2 ein Detail der Zerstäubungsvorrichtung;
3 eine Ausführungsform der Erfindung zur bevorzugten Verwendung mit Flash-Zerstäubern;
4 eine dritte Ausführungsform der Erfindung; und
5 eine vierte beispielhafte Ausführungsform der Erfindung.
Für das Verständnis der Erfindung nicht unmittelbar notwendige Elemente sind weggelassen. Die Ausführungsbeispiele sind rein instruktiv zu verstehen, und sollen nicht zu einer Einschränkung der in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung herangezogen werden.
Weg zur Ausführung der Erfindung
In 1 ist eine Gasturbogruppe dargestellt, umfassend einen Verdichter 1, eine Brennkammer 2, sowie eine Turbine 3. Turbine 3 und Verdichter 1 sind auf einer gemeinsamen Welle 5 angeordnet. Die der Brennkammer zugeführte Brennstoffmenge wird über das Brennstoffmengen-Stellorgan 20 geregelt. Die Turbine 3 treibt den Verdichter 1 und den Generator 4 an. Eine Wasseraufbereitungsanlage 6 stellt demineralisiertes Wasser zur Verfügung, welches von einer Pumpe 7 auf einen Druck gefördert wird, der wesentlich über dem in der Brennkammer 2 vorliegenden Druck liegt. Das geförderte Wasser durchströmt das Stellorgan 8 und wird in die Brennkammer 2 eingedüst. Das eingedüste Wasser dient der Leistungssteigerung, was allerdings mit Wirkungsgradeinbusen einhergeht, und/oder der Stickoxidreduktion, insbesondere bei Gasturbogruppen mit Gas-Diffusionsbrennkammern oder bei flüssigbrennstoffgefeuerten Maschinen. In letzterem Falle wird die Wassereinspritzung als "NOx-Wasser-Einspritzung" bezeichnet, analog wird die Pumpe 7 NOx-Wasser-Pumpe und das Stellorgan 8 NOx-Wasser-Regelventil genannt. Die Stellung des Stellorgans 8 wird vom Regler 9 gesteuert. Wenn eine Wassereinspritzung zur NOx-Minderung verwendet wird, sind im Regler abhängig vom verwendeten Brennstoff, zum Beispiel Gas oder Öl, unterschiedliche Sollwertkurven des NOx-Wasser-Massenstroms in Abhängigkeit von der am Generator 4 gemessenen Nutzleistung P_ACT und üblicherweise auch abhängig vom Brennstoffmassenstrom abgespeichert. An einer NOx-Wasser-Massenstrommessstelle 10 wird der NOx-Wasser-Massenstrom m ._NOx gemessen. Abhängig von der Regelabweichung des NOx-Wasser-Massenstroms bildet der Regler 9 die Stellgrösse Y_NOx für das NOx-Wasserventil 8. Die dargestellte Gasturbogruppe weist weiterhin eine stromauf des Verdichtereinlasses angeordnete Einspritz- und Zerstäubungsvorrichtung 11 für eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser, auf. Dort eingedüste Flüssigkeit vermag auf zweierlei Weise die Leistung und den Wirkungsgrad der Gasturbogruppe zu erhöhen: Einerseits wird ein Teil der als Tröpfchennebel eingedüsten Flüssigkeit noch im Zuströmkanal verdunstet, wodurch die Verdichteransaugluft gekühlt wird, woraus eine Erhöhung der Dichte der Ansaugluft und des geförderten Massenstroms resultiert. Darüber hinaus in den Verdichter eindringende Flüssigkeitstropfen sorgen weiterhin für eine intensive Innenkühlung im Verdichter, der in der Folge weniger Leistung aufnimmt, so, dass ein grösserer Anteil der Turbinenleistung für den Antrieb des Generators zur Verfügung steht. Eine hinreichend feine Zerstäubung der Flüssigkeit in der Einspritzvorrichtung 11 mit bevorzugt zu verwendenden Druckzerstäuberdüsen, wobei Tropfengrössen unter 50 μm anzustreben sind, erfordert einen hohen Zerstäubungs-Vordruck, der typischerweise im Bereich von rund 30 bis 150 bar, insbesondere 100 bis 150bar, liegt. Besonders dann, wenn die Tropfen in den Verdichter eindringen sollen, wird stark gereinigtes demineralisiertes Wasser benötigt, um Ablagerungen auf den Verdichterschaufeln zu vermeiden. Erfindungsgemäss wird hierzu Wasser aus dem von der Pumpe 7 zur Brennkammer führenden Strömungsweg abgezweigt. Damit entfällt der Aufwand, spezielle Pumpen und eine gesonderte Wasseraufbereitung für das sogenannte Fogging/Overfogging, also die Eindüsung von Flüssigkeit stromauf des Verdichters, bereitzustellen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein erster Wassermassenstrom stromab der Pumpe 7 abgezweigt. Dieser Wassermassenstrom ist über das Stellorgan 12 regelbar, und wird durch einen Abgaswärmetauscher 13 geleitet. Hier durchströmendes Wasser wird unter Nutzung der Abgaswärme der Gasturbogruppe erwärmt. Selbstverständlich kann auch die in die Brennkammer einzuleitende Flüssigkeit vorgängig ihrer Einbringung in die Brennkammer in einem Abgaswärmetauscher erwärmt oder verdampft werden. Diese Massnahme ist dem Fachmann geläufig und nicht erfindungserheblich, weshalb auf eine ausführliche Darstellung an dieser Stelle verzichtet wird. Unten wird ein entsprechendes Ausführungsbeispiel gezeigt. Vom Wärmetauscher 13 führt eine Leitung 14 zur Einspritzvorrichtung 11. Weiterhin zweigt stromab der Pumpe 7 eine zweite Leitung 15 ab, und mündet stromab des Wärmetauschers 13 in der Leitung 14. Der über die Leitung 15 strömende Massenstrom ist ebenfalls mittels des Stellorgans 16 regelbar.
Zur weiteren Erläuterung der Stellelemente 18 und 19 sowie der Druckmessstelle 17 wird 2 herangezogen. Die Einspritzvorrichtung 11 umfasst eine Mehrzahl von Düsenrohren 111 bis 11n. Diese werden über Absperrorgane 191 bis 19n selektiv zu- und abgeschaltet. Jedes Düsenrohr 111 bis 11n trägt eine Anzahl nicht einzeln dargestellter, dem Fachmann aber geläufiger Zerstäuberdüsen. Im Falle von Druckzerstäuberdüsen ist die Feinheit des erzeugten Flüssigkeitsnebels massgeblich vom Zerstäubungsvordruck abhängig. In der Leitung 14 ist daher ein Druckregelventil 18 angeordnet. Dieses öffnet und schliesst in Abhängigkeit von einem an der Druckmessstelle 17 bestimmten Druck, um diesen konstant zu halten. Der Flüssigkeitsmassenstrom wird sodann von den freien Strömungsquerschnitten, also der Anzahl der mit Flüssigkeit beaufschlagten Düsenrohre, massgeblich bestimmt. Ein Funktionsblock 21 erfasst die Ist-Leistung P_ACT des Generators und einen Leistungssollwert P_Soll und bildet daraus die Soll-Istwert-Abweichung P_Soll – P_ACT. Die Soll-Istwert-Abweichung wird an eine Steuereinheit 190 weitergeleitet. Bei einer positiven Abweichung wird selektiv wenigstens eines der Absperrorgane 191, 192, ..., 19n geöffnet, damit ein Düsenrohr zusätzlich mit Flüssigkeit beaufschlagt, und bei gleichbleibendem Vordruck der eingedüste Flüssigkeitsmassenstrom erhöht.
Im Rückgriff auf die 1 ist also das Stellorgan 18 dafür vorgesehen, den Zerstäubungsvordruck konstant zu halten, oder wenigstens innerhalb eines Sollwertbereiches zu halten. Das Stellorgan 19, vorliegend also eine Ventilgruppe, steuert den Massenstrom der einzudüsenden Flüssigkeit. Auf die vorliegend dargestellte Art sind die Steuerung des Massenstroms und des Flüssigkeitsvordrucks aufs Vorteilhafteste voneinander entkoppelt. Im Verdichtereinlass ist eine Temperaturmessstelle 22 angeordnet, welche die Temperatur der feuchten Luft oder des Luft-Tropfen-Gemisches bestimmt. Aufgrund der Verdunstungswirkung und der Beschleunigung der Strömung zum Verdichtereinlass hin kann die Temperatur an dieser Stelle erheblich unter der Umgebungstemperatur liegen. Abhängig von diesen Messwerten werden die Stellorgane 12 und 16 angesteuert. In einem ersten Betriebszustand ist das Stellorgan 12 vollständig geschlossen. Der gesamte Massenstrom der Zerstäubungsvorrichtung 11 wird am Wärmetauscher 13 vorbeigeleitet. Damit wird eine maximale Abkühlung der Ansaugluft der Gasturbogruppe erreicht, weil die eingedüste Flüssigkeit die niedrigst mögliche Temperatur aufweist.
Wenn die an der Messstelle 22 gemessene Temperatur nunmehr einen bestimmten Wert, beispielsweise 7°C oder 5°C unterschreitet, wird das Stellorgan 12 weiter geöffnet, und Stellorgan 16 ein Stück geschlossen. Damit strömt ein Teil des einzudüsenden Wassers über den Wärmetauscher 13. Die Temperatur des einzudüsenden Wassers wird damit erhöht, und in der Konsequenz steigt die Temperatur am Verdichtereintritt an. Eine weitere Temperaturmessstelle 23 ist stromauf der Zerstäubungsvorrichtung und stromab der Zusammenführung der vorgewärmten und der nicht vorgewärmten Flüssigkeit angeordnet. Wenn die dort gemessene Zerstäubungstemperatur einen bestimmten Sicherheitsabstand von beispielsweise 5°C oder 8°C zur Siedetemperatur der Flüssigkeit bei Umgebungsdruck unterschreitet, wird das Stellorgan 12 geschlossen. Auf Meereshöhe und Betrieb mit Wasser liegt der kritische Temperaturmesswert also zum Beispiel im Bereich von 90°C bis 95 °C, bei hochgelegenen Installationen entsprechend niedriger. Diese Grenzwertregelung kann zwar zu Einschränkungen des Betriebes führen, verhindert aber schwerwiegende Kavitationsschäden, welche an nicht speziell vorbereiteten Einspritzdüsen der Zerstäubungsvorrichtung 11 auftreten würden, wenn die Flüssigkeit beim Austritt aus der Düse spontan siedet. Die beschriebene Temperaturregelung ist besonders interessant bei Gasturbogruppen, welche an Orten installiert werden, wo an sich kein sogenanntes dem Fachmann geläufiges Anti-Icing System erforderlich ist, an denen aber durch den Fogging oder High Fogging Betrieb eine Unterschreitung der Eisbildungstemperatur auftreten kann. Bei einem vorbestimmten eingespritzten Flüssigkeitsmassenstrom und einer limitierten Flüssigkeitstemperatur ist die auf diese Weise erzielbare Temperaturerhöhung selbstverständlich begrenzt. Eine absolute Temperaturerhöhung der Luft ist auch nur dann realisierbar wenn der Massenstrom der Flüssigkeit, welche als Tropfen mitgeführt werden, um ein Vielfaches über dem verdampften Flüssigkeitsmassenstrom liegt, damit die zusätzlich eingebrachte fühlbare Wärme die Verdunstungswärme überschreitet. In jedem Falle lässt sich aber der Umgebungstemperaturbereich, in dem eine Fogging oder High Fogging-Installation betrieben werden kann, erweitern. Wenn ein Unterschreiten der minimal zulässigen Temperatur am Verdichtereintritt nicht mehr vermieden werden kann, muss die Zerstäubungsvorrichtung 11 selbstverständlich ausser Betrieb genommen werden. In diesem Sinne dient die Vorwärmung der einzudüsenden Flüssigkeit also nicht als absolutes Anti Icing im herkömmlichen Sinne, sondern dient dazu, den Betriebsbereich der Zerstäubungsvorrichtung zu erweitern.
In einer weiteren Betriebsweise kann die Zerstäubungsvorrichtung auch als "echtes" Anti Icing System betrieben werden. Dazu muss allerdings die Massenstromregelung von der Leistungsregelung entkoppelt werden, und der Massenstrom muss mit dem Messwert der Messstelle 22 als Regelgrösse betrieben werden. Ein absoluter Temperaturhub ist allerdings nur dann möglich, wenn tatsächlich soviel erwärmte Flüssigkeit eingedüst wird, dass die Luft am Verdichtereintritt übersättigt ist, also Tropfen mit in den Verdichter eintreten. Auf diese Weise kann bei Installationen, welche ein Anti-Icing an sich nicht oder nur an wenigen Tagen im Jahr benötigen, der Betrieb sichergestellt werden ohne eine aufwändige Anti Icing Vorrichtung speziell anordnen zu müssen.
Die Ausführungsform gemäss 3 unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Beispiel darin, dass die vorgewärmten und nicht vorgewärmten Massenstromanteile auf eine Konstanthaltung der Zerstäubungstemperatur, gemessen mit der Messstelle 23, geregelt werden. Dies ist ganz besonders von Vorteil, wenn die Zerstäubungsvorrichtung 11 mit Flash-Zerstäubern arbeitet. Dabei wird die Flüssigkeit unter Druck bei einer Temperatur zugeführt, welche beim Austritt aus einer Zerstäuberdüse und der damit einhergehenden Dekompression auf Umgebungsdruck zum spontanen Sieden und damit aufgrund des Dampfdruckes zum Aufplatzen der Tropfens in kleine Fragmente führt. Dies ist in WO 9967519 beschrieben. Neben dem Zerstäubungsvordruck ist hierbei auch der Dampfdruck der Flüssigkeit für die Zerstäubungsgüte von zentraler Bedeutung, weshalb hierbei eine Regelung der Temperatur der zu zerstäubenden Flüssigkeit auf einen Sollwert sehr von Vorteil ist.
In der Ausführungsform gemäss 4 ist zusätzlich zu dem durch den Abgaswärmetauscher 13 führenden Zweig und dem Bypasszweig 15 stromab der Zusammenführung der beiden Zweige in der Flüssigkeitsleitung 14 ein Kühler 24 angeordnet. Der Kühlmittelzustrom zu dem Kühler 24 und damit dessen Kühlungsleistung wird durch das Stellorgan 25 gesteuert. Im Zusammenspiel der Stellorgane 12 und 16 ist es, wie im Zusammenhang mit 1 dargelegt, möglich, die mittels der Temperaturmessstelle 22 erfasste Temperatur vor dem Verdichtereintritt auf einen Mindestwert zu regeln. Es ist weiterhin möglich, wenigstens innerhalb gewisser Grenzen durch ein Abkühlen der Flüssigkeit im Kühler 24 die Temperatur am Verdichtereintritt abzusenken. Es ist also zum Beispiel möglich, die Temperatur an der Messstelle 22 auf einen möglichst niedrigen Wert oberhalb der Eisbildungstemperatur einzuregeln. Grenzen sind dadurch gesetzt, dass die Temperatur an der Messstelle 23 immer oberhalb der Gefriertemperatur der Flüssigkeit bleiben muss. Für reines Wasser sind der zusätzlichen Ansaugluftkühlung durch Kühlung der zu zerstäubenden Flüssigkeit recht enge Grenzen gesetzt. Eine Massnahme ist das Zudosieren von Alkoholen oder anderen geeigneten Frostschutzadditiven stromauf des Kühlers. In der Ausführungsform gemäss 4 ist ein Additivtank 26 angeordnet, von dem aus über eine Dosierpumpe 27 mit drehzahlgeregeltem Antrieb und ein Absperrventil 29 der Zerstäubungsflüssigkeit ein geeignetes Additiv zugemischt werden kann. Wenn die Temperatur an der Messstelle 23 einen Grenzwert unterschreitet, wird das Absperrorgan 29 geöffnet. Die Dosierpumpe 27 wird so geregelt, dass der geförderte Massenstrom mit sinkender Temperatur steigt. Es ist auf diese Weise möglich eine maximal zulässige Abkühlung der Luft am Verdichtereintritt bei gleichzeitiger Übersättigung der Luft mit Feuchte und dem daraus resultierenden Innenkühlungseffekt im Verdichter zu erzielen. Damit kann die Netto-Leistungsabgabe der Gasturbogruppe, welche zum Antrieb des Generators dient, maximiert werden.
Es sei an dieser Stelle ausdrücklich erwähnt, dass es sich bei der einzudüsenden Flüssigkeit keineswegs um Wasser handeln muss.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in 5 dargestellt. Diese unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass statt einer Eindüsung einer Flüssigkeit in die Brennkammer die Eindüsung von Dampf vorgesehen ist. Dazu wird die gesamte von der Pumpe 7 geförderte Flüssigkeit durch einen Abgaswärmetauscher, hier einen Abhitzedampferzeuger, geleitet. Der der Brennkammer zugeführte Anteil wird verdampft, und somit gespannter Dampf in die Brennkammer 2 eingeleitet. Die Abwärmerekuperation im Abhitzedampferzeuger 13 trägt zu einer Wirkungsgradverbesserung bei. Bei sogenannten STIG Maschinen wird ein Dampfmassenstrom eingedüst, der hinreichend gross bemessen ist, um nahezu das gesamte Restwärmepotenzial des Abgases der Turbine 3 zu nutzen. Gemäss der Erfindung zweigt innerhalb des Abhitzedampferzeugers, bevorzugt an einer Stelle, an der noch keine Verdampfung eingetreten ist, eine Leitung ab, welche zur Zerstäubungsvorrichtung 11 führt. Eine zweite Leitung zweigt als Bypassleitung 15 stromab des Abhitzedampferzeugers 13 ab, und mündet zusammen mit der aus dem Abhitzedampferzeuger abzweigenden Leitung in einer gemeinsamen Zuführleitung 14 für die Zerstäubungsvorrichtung 11. Wenigstens in einem der beiden Zweige, vorliegend in beiden, ist ein Drosselorgan 12, 16 angeordnet. Die weitere Funktion erschliesst sich mühelos im Lichte der Ausführungen zu 1. Es ist im Rahmen der Erfindung auch möglich, über die erste Leitung Dampf zu führen, bevorzugt einen regelbaren Dampfmassenstrom, der zum Aufheizen des über die Bypassleitung 15 geführten Flüssigkeitsmassenstroms verwendet wird. Die Aufheizung findet bevorzugt in einem nicht dargestellten Mischvorwärmer statt, in dem die beiden Fluidströme zusammengeführt werden.
Unter Anwendung der Erfindung ist es möglich, bei Gasturbogruppen, welche beispielsweise mit Wasseraufbereitungsanlagen und Pumpen für eine Wasser-oder Dampfeindüsung stromab des Verdichters, beispielsweise in die Brennkammer, aber auch stromauf davon oder in die Turbine, ausgestattet oder geplant sind, auf einfache Weise eine Zerstäubungsvorrichtung für Fogging oder High Fogging stromauf des Verdichters vorzusehen. Dabei werden die ohnehin vorhandenen Wasseraufbereitungs- und Pumpenkapazitäten für den Betrieb der Zerstäubungsvorrichtung mit verwendet. Dies ist vor allem vor dem Hintergrund günstig, als die vorhandenen Vorrichtungen in der Regel ohnehin gewisse Überkapazitäten aufweisen. Es zeigt sich weiterhin, dass die Eindüsung einer inerten Flüssigkeit stromauf des Verdichters, oder auch in den Verdichter, die Stickoxidemissionen senkt. Damit wird beispielsweise weniger Wasser oder Dampf zur Stickoxidminderung benötigt, und die damit freiwerdenden Kapazitäten können zum Betrieb der Zerstäubungsvorrichtung genutzt werden.

1: Verdichter
2: Brennkammer
3: Turbine
4: Generator
5: Welle
6: Vorrichtung zur Bereitstellung einer Flüssigkeit,
: Wasseraufbereitungsanlage
7: Pumpe
8: Stellorgan, NOx-Wasser-Ventil
9: Regler
10: Massenstrommesstelle
11: Zerstäubungsvorrichtung, Vernebelungsvorrichtung
12: Absperr- und/oder Drosselorgan, Stellorgan
13: Abgaswärmetauscher, Abhitzedampferzeuger
14: Leitung
15: Bypassleitung des Abgaswärmetauscher
16: Absperr- und/oder Drosselorgan, Stellorgan
17: Druckmessstelle
18: Druckregelventil
19: Massenstrom-Stellorgan, Steuerblock
20: Brennstoffmengenstellorgan
21: Funktionsblock
22: Temperaturmessstelle
23: Temperaturmessstelle
24: Kühler
25: Stellorgan
26: Additivtank
27: Dosierpumpe
28: drehzahlregelbarer Antrieb
29: Absperrorgan
111, 112, ...,11n: Düsenrohre
191, 192, ..., 19n: Absperrorgane
190: Funktionsblock
m .NOx: Wassermassenstrom
P_ACT: Ist-Leistung
P_SOLL: Leistungs-Sollwert
Y_NOx: Stellgrösse

Claims

Gasturbogruppe, umfassend einen Verdichter (1 ), eine Brennkammer (2), und eine Turbine (3), sowie Mittel zur Eindüsung eines inerten Mediums stromab des Verdichters, welche Mittel wenigstens eine Eindüsungsstelle, eine Vorrichtung (6) zur Bereitstellung einer Flüssigkeit sowie eine Förderpumpe (7) zur Unterdrucksetzung der Flüssigkeit umfassen, und welche Gasturbogruppe weiterhin einen stromauf des Verdichters angeordneten Zuströmkanal für dem Verdichter zuströmende Luft umfasst, in welchem Zuströmkanal eine Zerstäubungsvorrichtung (11) für eine Flüssigkeit angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass stromab der Pumpe (7) aus einer von der Pumpe zu der Eindüsungsstelle führenden Leitung wenigstens eine zu der Zerstäubungsvorrichtung (11) führende Leitung (14) abzweigt.
Gasturbogruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass stromab der Pumpe eine erste Leitung abzweigt, welche in einen Abgaswärmetauscher (13) führt, dass stromab der Pumpe eine zweite Leitung (15) abzweigt, welche den Abgaswärmtauscher umgeht, wobei beide Leitungen stromab des Abgaswärmetauschers in einer gemeinsamen, zu der Zerstäubungsvorrichtung führenden Leitung (14) münden.
Gasturbogruppe gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass stromab der Pumpe (7) ein Abgaswärmetauscher (13) angeordnet ist, dass eine erste Leitung aus dem Abgaswärmetauscher oder stromab des Abgaswärmetauschers abzweigt, dass stromab der Pumpe und stromauf des Abgaswärmetauschers eine zweite Leitung (15) abzweigt, die den Abgaswärmetauscher umgeht, wobei beide Leitungen stromab des Abgaswärmetauschers in einer gemeinsamen, zu der Zerstäubungsvorrichtung führenden Leitung (14) münden.
Gasturbogruppe gemäss einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der stromab der Pumpe abzweigenden Leitungen ein Absperr- und/oder Drosselorgan (12, 16) aufweist.
Gasturbogruppe gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der gemeinsamen Leitung (14) ein Kühler (24) angeordnet ist.
Gasturbogruppe gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das in der zu der Zerstäubungsvorrichtung führenden Leitung ein Druckregelventil (18) zur Regelung des Zerstäubungsvordrucks angeordnet ist.
Kraftwerksanlage, umfassend eine Gasturbogruppe gemäss einem der vorstehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betrieb einer Gasturbogruppe gemäss einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch die Schritte: durch die erste Leitung (13) einen ersten, vorgewärmten Teilmassenstrom der gemeinsamen Zuführleitung (14) zuzuführen; durch die zweite Leitung (15) einen zweiten, nichtvorgewärmten Teilmassenstrom der gemeinsamen Zuführleitung (14) zuzuführen; und wenigstens einen der Teilmassenströme zu variieren.
Verfahren gemäss Anspruch 8, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte, den Massenstrom in der gemeinsamen Zuführleitung (14) zu kühlen; und die Kühlungsleistung zu variieren.
Verfahren zum Betrieb einer Gasturbogruppe gemäss Anspruch 5, gekennzeichnet durch den Schritt, die Kühlungsleistung des Kühlers (24) zu variieren.
Verfahren gemäss einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte: wenigstens eine der folgenden Temperaturen zu messen: Temperatur der zu zerstäubenden Flüssigkeit; und Temperatur im Einlass des Verdichters der Gasturbogruppe; wenigstens einen Teilmassenstrom und/oder die Kühlungsleistung mit der gemessenen Temperatur als Regelgrösse geregelt zu variieren.