DE102009026156A1

DE102009026156A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Turbomaschinenabgaskühlung

Info

Publication number: DE102009026156A1
Application number: DE102009026156A
Authority: DE
Inventors: Hua Zhang; David Wesley Ball jun.; Thomas Francis Taylor
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-07-23
Filing date: 2009-07-10
Publication date: 2010-01-28
Also published as: JP2010025107A; US8186152B2; CN101634247A; US20100018180A1

Abstract

Es ist eine Turbomaschine (10) offenbart, die wenigstens einen Abgaspfad, längs dessen ein Abgas (16) geleitet und in die Umgebung entlassen wird, und wenigstens eine Abgasverarbeitungseinrichtung (24) enthält, die in der Lage ist, regulierte Stoffe aus dem Abgas (16) zu entfernen. Ein oder mehrere Außenlufteinlässe (28) sind an dem wenigstens einen Abgaspfad stromaufwärts von der wenigstens einen Abgasverarbeitungseinrichtung (24) angeordnet. Der wenigstens eine Abgaspfad ist derart konfiguriert, dass Außenluft (30) in den wenigstens einen Abgaspfad durch den einen oder die mehreren Außenlufteinlässe (28) aufgrund einer Beschleunigung des Abgases (16) entlang des wenigstens einen Abgaspfads eingezogen werden kann. Die Außenluft (30), die in den wenigstens einen Abgaspfad getrieben wird, reduziert die Temperatur des Abgases (16), um die Effektivität der wenigstens einen Abgasverarbeitungseinrichtung (24) zu steigern. Ferner ist ein Verfahren zur Abgabe des Abgases (16) einer Turbomaschine (10) in die Umgebung offenbart.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Der Gegenstand der Erfindung betrifft Turbomaschinen. Insbesondere betrifft der Gegenstand der Erfindung die Kühlung von Abgasen von Turbomaschinen.
Das Abgas von einer Turbomaschine, beispielsweise einem Kraftwerk mit einer Gasturbine zur Energieerzeugung, muss häufig strenge gesetzliche Auflagen hinsichtlich der Zusammensetzung bzw. Beschaffenheit des Abgases, das in die Atmosphäre entlassen wird, erfüllen. Einer der Bestandteile, die typischerweise in einem Abgas vorzufinden und Auflagen unterworfen sind, ist NO_X. Um das NO_X aus dem Abgas zu entfernen, wird häufig eine Technologie, wie beispielsweise die Selektive Katalytische Reduktion (SCR), eingesetzt. In einem SCR-Prozess reagiert Ammoniak (NH₃) oder dergleichen mit dem NO_X und erzeugt Stickstoff (N₂) sowie Wasser (H₂O). Die Effektivität des SCR-Prozesses hängt von der Temperatur des Abgases, das verarbeitet wird, ab. Die Temperatur des Abgases von der Turbomaschine beträgt häufig etwa 1100°F, und das Abgas muss vor dem SCR-Prozess gekühlt werden, um die Effektivität der SCR zur Erfüllung der Anforderungen zu erhöhen. Diese Kühlung wird gewöhnlich durch Verdünnen des Abgases mit kühlerer Außenluft, die von großen Gebläsesystemen in den Abgasstrom getrieben wird, erreicht. Diese Gebläsesysteme müssen zu hohen Durchflussraten und hohen Drücken in der Lage sein und erhöhen die Komplexität und Betriebskosten der Turbomaschine.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält eine Turbomaschine wenigstens einen Abgaspfad, entlang dessen ein Abgas geleitet und zu einer Außenumgebung entlassen wird, und wenigstens eine auch als Abgasprozessor bezeichnete Abgasverarbeitungseinrichtung, die in der Lage ist, Stoffe aus dem Abgas zu entfernen. An dem Abgaspfad sind stromaufwärts von der Abgasverarbeitungseinrichtung ein oder mehrere Außenlufteinlässe angeordnet. Der wenigstens eine Abgaspfad ist konfiguriert, um einen Druck des Abgases in ihm zu reduzieren, um Außenluft in den wenigstens einen Abgaspfad über den einen oder die mehreren Außenlufteinlässe einzuziehen. Die Außenluft reduziert eine Temperatur des Abgases, um die Effektivität der wenigstens einen Abgasverarbeitungseinrichtung zu steigern.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Verfahren zur Abgabe von Turbomaschinenabgasen zu einer Außenumgebung ein Beschleunigen eines Abgases entlang wenigstens eines Abgaspfads und ein Verringern eines Drucks des Abgases in dem wenigstens einen Abgaspfad. Das Verfahren enthält ferner ein Einziehen von Außenluft in den wenigstens einen Abgaspfad durch einen oder mehrere Außenlufteinlässe durch die Verringerung des Drucks des Abgases, wodurch eine Temperatur des Abgases reduziert wird, und ein Ausgeben des Abgases in eine Außenumgebung.
Diese und weitere Vorteile und Merkmale werden aus der folgenden Beschreibung, die in Verbindung mit den Zeichnungen angegeben ist, offensichtlicher.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Der Gegenstand, der als die Erfindung angesehen wird, ist in den Ansprüchen am Ende der Beschreibung besonders angegeben und klar und deutlich beansprucht. Das Vorstehende sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen angegeben ist, in denen zeigen:
1 eine schematisierte Ansicht einer Ausführungsform einer Abgasvorrichtung für eine Turbomaschine;
2 eine ausschnittsweise Perspektivansicht der Abgasvorrichtung nach 1; und
3 eine schematisierte Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Abgasvorrichtung für eine Turbomaschine.
Die detaillierte Beschreibung erläutert Ausführungsformen der Erfindung gemeinsam mit ihren Vorteilen und Merkmalen anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In 1 ist eine schematisierte Darstellung einer Ausführungsform einer Turbomaschine, beispielsweise einer Gasturbine 10, veranschaulicht. Die Gasturbine 10 enthält eine oder mehrere Brennkammern 12, in der bzw. denen Brennstoff und Druckluft miteinander vermischt und gezündet werden. Das Heißgasprodukt aus der Verbrennung strömt zu einer Turbine 14, die dem Heißgas Arbeit entzieht. Nachdem das heiße Gas oder Abgas 16 durch die Turbine 14 hindurch geströmt ist, strömt es durch einen Abgasanschluss 18 über einen Mischkanal 22 zu einem Schornstein oder Schacht 20 hin, um in die Atmosphäre entlassen zu werden.
Zur Reduktion eines Anteils unerwünschter Stoffe, wie beispielsweise NO_X, die aus dem Schacht 20 in die Atmosphäre entlassen werden, wird das Abgas 16 vor der Abgabe in die Atmosphäre durch eine Abgasverarbeitungseinrichtung bzw. einen Abgasprozessor, in einigen Ausführungsformen ein System 24 zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-System), getrieben. Wie in 1 veranschaulicht, ist das SCR-System 24 in einigen Ausführungsformen zwischen dem Mischkanal 22 und dem Schacht 20 beispielsweise an einem Übergangskanal 26 angeordnet. Es ist jedoch verständlich, dass das SCR-System 24 an anderen Stellen, beispielsweise in dem Mischkanal 22 oder in dem Schacht 20, angeordnet sein kann. Ferner sind die Ausführungsformen nicht auf die Verwendung eines einzigen SCR-Systems 24 beschränkt, sondern es können mehrere SCR-Systeme 24 eingesetzt werden. Das SCR-System 24 enthält häufig eine Menge eines Katalysators und ein Gitter zur Injektion von Ammoniak (NH₃). In dem Katalysator reagiert Ammoniak (NH₃) mit NO_X in dem Abgas 16 und erzeugt Stickstoff (N₂) sowie Wasser (H₂O), wodurch geregeltes NO_X aus dem Abgas 16 entfernt wird, bevor das Abgas 16 in die Atmosphäre entlassen wird. Die Verwendung eines SCR-Systems zur Entfernung von NO_X aus dem Abgas ist lediglich beispielhaft. Es ist zu verstehen, dass andere Abgasprozessoren eingesetzt werden können, um andere unerwünschte Substanzen, wie beispielsweise SO_X, Hg oder Feststoffpartikel, aus dem Abgas zu entfernen.
Der Mischkanal 22 der Ausführungsform nach 1 weist eine Querschnittsfläche auf, die größer ist als die Querschnittsfläche des Abgasanschlusses 18, und leitet das Abgas 16 zu dem SCR-System 24 hin. In dem Mischkanal 22 sind ein oder mehrere Sekundäreinlässe 28 vorgesehen, die Außenluft 30 ermöglichen, in den Mischkanal 22 einzutreten, um das Abgas 16 abzukühlen, bevor das Abgas 16 das SCR-System 24 erreicht. Wie am besten in 2 veranschaulicht, ist eine Ausführungsform eines Sekundäreinlasses 28 an einem im Wesentlichen stromaufwärtigen Ende 32 des Mischkanals 22 angeordnet und konisch gestaltet, wobei sie sich radial von einer Mischkanalachse 24 weg und in Längsrichtung zu dem Abgasanschluss 18 hin erstreckt. Es ist zu verstehen, dass die Konfiguration nach 2 lediglich beispielhafter Natur ist und dass andere Konfigurationen und/oder Einsatzorte für den einen oder die mehreren Sekundäreinlässe 28 innerhalb des vorliegenden Rahmens mit in Erwägung gezogen werden. Beispielsweise kann der eine oder können die mehreren Sekundäreinlässe an anderen Stellen entlang der Mischkanalachse 34 angeordnet und/oder als eine Anzahl von Sekundäreinlässen 28 konfiguriert sein, die längs eines Umfangs des Mischkanals 22 bzw. rings um diesen angeordnet sind.
Der Mischkanal 22 ist eingerichtet, um die Umgebungsluft 30 in den Mischkanal 22 über den einen oder die mehreren Sekundäreinlässe 28 zu treiben. Von dem Abgasanschluss 18 zu dem Mischkanal 22 gemäß 1 strömendes Abgas expandiert aufgrund des größeren Querschnittsbereichs des Mischkanals 22, 50 dass folglich ein Bereich mit relativ geringem Druck in dem Mischkanal 22 erzeugt wird. Der geringe Druck ruft einen Saugeffekt hervor, wodurch Außenluft 30 durch den einen oder die mehreren Sekundäreinlässe 28 hindurch in den Mischkanal 22 eingezogen wird. In einigen Ausführungsformen ist der Mischkanal 22 mit einem Diffusor 36 verbunden, der einen divergenten Querschnitt aufweist, der sich stromabwärts zu dem Übergangskanal 26 hin entlang der Mischkanalachse 34 erstreckt. Diese Konfiguration erzeugt einen weiter verringerten Druck in dem Mischkanal 22, was den Saugeffekt steigert, so dass folglich mehr Außenluft 30 in das Mischrohr 22 über den einen oder die mehreren Sekundäreinlässe 28 eingezogen wird. Während das Abgas und die Außenluft 30 in dem Mischkanal 22 entlang der Mischkanalachse 32 weiter strömen, verdünnt die Außenluft 30 das Abgas 16 und vermischt sich mit diesem. Das resultierende Gemisch aus dem Abgas 16 und der Außenluft 30 weist eine geringere Temperatur als das die Turbine 14 verlassende Abgas 16 auf.
In einigen Ausführungsformen beträgt die Temperatur des Abgases 16, wie es in den Mischkanal 22 von der Gasturbine 10 eintritt, ungefähr 1100–1200°F. Der Mischkanal 22 und der eine oder die mehreren Sekundäreinlässe 28 sind konfiguriert, um eine Temperatur des Gemisches aus dem Abgas 16 und der Außenluft 30 von 800–900°F zu erreichen, bevor das Abgas 16 in das SCR-System 24 eintritt. Eine Reduktion der Temperatur des Abgases 16 bis zu diesem Bereich steigert die Effektivität des SCR-Systems 24 bei der Entfernung von NO_X aus dem Abgas 16, bevor das Abgas 16 durch den Schacht 20 ausgegeben bzw. entlassen wird. Ferner kann eine Kühlung des Abgases 16 mittels der Außenluft 30, die in den Mischkanal 22 über den einen oder die mehreren Sekundäreinlässe 28 getrieben wird, ohne die Verwendung von Gebläsen nach dem Stand der Technik bewerkstelligt werden, wodurch die Komplexität der Gasturbine 10 verringert wird.
Wie in 3 veranschaulicht, werden in einigen Ausführungsformen, in denen eine größere Vermischung und/oder stärkere Kühlung erwünscht ist, ein oder mehrere Bläser 38 dazu verwendet, zusätzliche Umgebungsluft 30 in den Mischkanal 22 stromabwärts von dem einen oder den mehreren Sekundäreinlässen 28 einzublasen. Die Umgebungsluft 30, die durch den einen oder die mehreren Bläser 38 geliefert wird, kühlt das Abgas 16 weiter um sicherzustellen, dass das das SCR-System 24 erreichende Abgas 16 eine Temperatur aufweist, die die Effektivität des SCR-Systems 24 steigert.
Während die Erfindung in Einzelheiten in Verbindung mit lediglich einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen beschrieben worden ist, sollte es ohne Weiteres verständlich sein, dass die Erfindung nicht auf derartige offenbarte Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung modifiziert werden, um beliebige vielfältige Variationen, Veränderungen, Substitutionen oder äquivalente Anordnungen, die hier vorstehend nicht beschrieben sind, die jedoch dem Rahmen und Schutzumfang der Erfindung entsprechen, einzubeziehen. Außerdem ist es zu verstehen, dass, während verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind, Aspekte der Erfindung lediglich einige der beschriebenen Ausführungsformen enthalten können. Demgemäß ist die Erfindung nicht als durch die vorstehende Beschreibung beschränkt anzusehen, sondern sie ist lediglich durch den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche beschränkt.
Es ist eine Turbomaschine 10 offenbart, die wenigstens einen Abgaspfad, längs dessen ein Abgas 16 geleitet und in die Umgebung entlassen wird, und wenigstens eine Abgasverarbei tungseinrichtung 24 enthält, die in der Lage ist, regulierte Stoffe aus dem Abgas 16 zu entfernen. Ein oder mehrere Außenlufteinlässe 28 sind an dem wenigstens einen Abgaspfad stromaufwärts von der wenigstens einen Abgasverarbeitungseinrichtung 24 angeordnet. Der wenigstens eine Abgaspfad ist derart konfiguriert, dass Außenluft 30 in den wenigstens einen Abgaspfad durch den einen oder die mehreren Außenlufteinlässe 28 aufgrund einer Beschleunigung des Abgases 16 entlang des wenigstens einen Abgaspfads eingezogen werden kann. Die Außenluft 30, die in den wenigstens einen Abgaspfad getrieben wird, reduziert die Temperatur des Abgases 16, um die Effektivität der wenigstens einen Abgasverarbeitungseinrichtung 24 zu steigern. Ferner ist ein Verfahren zur Abgabe des Abgases 16 einer Turbomaschine 10 in die Umgebung offenbart.

10: Gasturbine
12: Brennkammern
14: Turbine
16: Abgas
18: Abgasanschluss
20: Schacht
22: Mischkanal
24: System zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR-System)
26: Übergangskanal
28: Sekundäreinlässe
30: Außenluft, Umgebungsluft
32: Stromaufwärtiges Ende
34: Mischkanalachse
36: Diffusor
38: Bläser

Claims

Turbomaschine, die aufweist: wenigstens einen Abgaspfad, entlang dessen ein Abgas (16) geleitet und zu einer Außenumgebung abgegeben wird; wenigstens eine Abgasverarbeitungseinrichtung (24), die in der Lage ist, Stoffe aus dem Abgas (16) zu entfernen; einen oder mehrere Außenlufteinlässe (28), die an dem wenigstens einen Abgaspfad stromaufwärts von der wenigstens einen Abgasverarbeitungseinrichtung (24) angeordnet sind, wobei der wenigstens eine Abgaspfad eingerichtet ist, um einen Druck des Abgases (16) darin zu reduzieren, um Außenluft (30) in den wenigstens einen Abgaspfad über den einen oder die mehreren Außenlufteinlässe (28) einzuziehen, wobei die Außenluft (30) eine Temperatur des Abgases (16) reduziert, um die Effektivität der wenigstens einen Abgasverarbeitungseinrichtung (24) zu steigern.
Turbomaschine (10) nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Abgasverarbeitungseinrichtung (24) wenigstens ein Reaktor zur selektiven katalytischen Reduktion ist.
Turbomaschine (10) nach Anspruch 2, wobei der wenigstens eine Reaktor zur selektiven katalytischen Reduktion NO_X aus dem Abgas (16) entfernt.
Turbomaschine (10) nach Anspruch 1, wobei der wenigstens eine Abgaspfad einen Mischkanal (22) aufweist, der stromabwärts von einem Abgasanschluss (18) angeordnet ist, wobei der Mischkanal (22) eine größere Querschnittsfläche als der Abgasanschluss (18) aufweist, so dass folglich der Druck des Abgases (16) darin reduziert wird.
Turbomaschine (10) nach Anspruch 1, wobei die Außenluft (30), die in den wenigstens einen Abgaspfad getrieben wird, in der Lage ist, die Temperatur des Abgases (16) bis auf etwa 800–900°F zu reduzieren.
Verfahren zur Abgabe eines Abgases (16) einer Turbomaschine (10) zu einer Außenumgebung, das aufweist: Beschleunigen des Abgases (16) entlang wenigstens eines Abgaspfads; Verringern eines Drucks des Abgases (16) in dem wenigstens einen Abgaspfad; Einziehen von Außenluft (30) in den wenigstens einen Abgaspfad durch einen oder mehrere Außenlufteinlässe (28) durch die Verringerung des Drucks des Abgases (16), wodurch eine Temperatur des Abgases (16) reduziert wird; und Ausgabe des Abgases (16) zu einer Außenumgebung.
Verfahren nach Anspruch 6, das enthält: Strömenlassen des Abgases (16) durch wenigstens eine Abgasverarbeitungseinrichtung (24); und Entfernen von Stoffen aus dem Abgas (16) mittels der wenigstens einen Abgasverarbeitungseinrichtung (24).
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Stoffe NO_X enthalten.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Temperatur des Abgases (16) auf etwa 800–900°F reduziert wird, wodurch eine Effektivität der wenigstens einen Abgasverarbeitungseinrichtung (24) erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Reduktion einer Temperatur des Abgases (16) durch Vermischung der Außenluft (30) mit dem Abgas (16) in dem wenigstens einen Abgaspfad erzielt wird.