DE10231879A1 - Process for influencing and checking the oxide layer on metallic components of hot CO2 / H2O cycle systems - Google Patents
Process for influencing and checking the oxide layer on metallic components of hot CO2 / H2O cycle systems Download PDFInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung und Kontrolle der Oxidschicht auf metallischen Bauteilen heißer CO¶2¶/H¶2¶O-Kreislaufsysteme, insbesondere von CO¶2¶/H¶2¶O-Gasturbinenanlagen, wobei ein kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff mit Sauerstoff verbrannt wird und wobei das dabei entstehende überschüssige CO¶2¶ und H¶2¶O dem Kreislaufsystem an geeigneter Stelle entnommen werden. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zum Schutz der Oxidschicht der thermisch belasteten Bauteile mit einem Sauerstoffüberschuss gefahren wird, dessen Höhe vom jeweiligen Zustand der Oxidschicht abhängig ist, und wobei der Zustand der Oxidschicht durch periodische und/oder kontinuierliche Messungen ermittelt wird.The invention relates to a method for influencing and controlling the oxide layer on metallic components of hot CO¶2¶ / H¶2¶O cycle systems, in particular CO¶2¶ / H¶2¶O gas turbine systems, wherein a hydrocarbon-containing fuel burns with oxygen and the resulting excess CO¶2¶ and H¶2¶O are taken from the circulatory system at a suitable point. The method is characterized in that an excess of oxygen is used to protect the oxide layer of the thermally stressed components, the height of which depends on the respective state of the oxide layer, and the state of the oxide layer is determined by periodic and / or continuous measurements.
Description
Technisches Gebiettechnical area
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung und Kontrolle der Oxidschicht auf metallischen Bauteilen heisser CO2/N2O-Kreislaufsysteme, insbesondere von CO2/N2O-Gasturbinen.The invention relates to a method for influencing and controlling the oxide layer on metallic components of hot CO 2 / N 2 O cycle systems, in particular CO 2 / N 2 O gas turbines.
Stand der TechnikState of the art
Bekannt sind CO2/H2O-Gasturbinenanlagen mit einem grösstenteils geschlossenen CO2-Gasturbinenkreislauf. Eine derartige Gasturbinenanlage besteht aus mindestens einem Verdichter, mindestens einer Brennkammer, mindestens einer Turbine, mindestens einer Wärmesenke und einem Wasserabscheider. In der Brennkammer reagiert der Brennstoff (Kohlenwasserstoff, z. B. Erdgas mit Methan CH4 als Hauptkomponente) mit dem Sauerstoff der aus O2, CO2 und gegebenenfalls H2O aufbereiteten Atmosphäre.CO 2 / H 2 O gas turbine plants with a largely closed CO 2 gas turbine cycle are known. Such a gas turbine system consists of at least one compressor, at least one combustion chamber, at least one turbine, at least one heat sink and a water separator. In the combustion chamber, the fuel (hydrocarbon, e.g. natural gas with methane CH 4 as the main component) reacts with the oxygen in the atmosphere prepared from O 2 , CO 2 and possibly H 2 O.
Die durch die Verbrennung entstehenden Komponenten CO2 und H2O, sowie gegebenenfalls mit dem Sauerstoff oder dem Erdgas eingebrachte Inertgase werden laufend entfernt, so dass ein Kreislauf mit weitgehend konstanter Zusammensetzung des Arbeitsmittels aufrecht erhalten bleibt.The components CO 2 and H 2 O resulting from the combustion and any inert gases introduced with the oxygen or natural gas are continuously removed, so that a cycle with a largely constant composition of the working fluid is maintained.
Im Gegensatz zu konventionellen Gasturbinenanlagen, bei denen die Abgase stets noch einen hohen Anteil an O2 enthalten, kann das vorwiegend aus CO2 und H2O bestehende Arbeitsmedium in einem solchen Kreisprozess reduzierende Eigenschaften haben. Dadurch kann es nachteilig bei den hohen Temperaturen, die üblicherweise in der Brennkammer und in der Turbine herrschen, zu einem Abtrag der schützenden Oxidschicht auf den Metalloberflächen der thermisch belasteten Bauteile kommen. Diese Bauteile korrodieren dann schnell und können zu einem ungewollten frühzeitigen Ausfall führen.In contrast to conventional gas turbine systems, in which the exhaust gases always contain a high proportion of O 2 , the working medium consisting mainly of CO 2 and H 2 O can have reducing properties in such a cycle process. This can disadvantageously lead to removal of the protective oxide layer on the metal surfaces of the thermally stressed components at the high temperatures which are usually present in the combustion chamber and in the turbine. These components then corrode quickly and can lead to an unwanted early failure.
Darstellung der Erfindungpresentation the invention
Ziel der Erfindung ist es, die genannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Beeinflussung und Kontrolle der Oxidschicht auf Bauteilen heisser CO2/H2O-Kreislaufsysteme, insbesondere von CO2/H2O-Gasturbinen, zu entwickeln. Das Verfahren soll möglichst einfach zu realisieren sein.The aim of the invention is to avoid the mentioned disadvantages of the prior art. The invention is based on the object of developing a method for influencing and controlling the oxide layer on components of hot CO 2 / H 2 O cycle systems, in particular CO 2 / H 2 O gas turbines. The process should be as simple as possible to implement.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe bei einem Verfahren gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1 dadurch gelöst, dass zum Schutz der Oxidschicht der thermisch belasteten Bauteile mit einem Sauerstoffüberschuss gefahren wird, dessen Höhe vom jeweiligen Zustand der Oxidschicht abhängig ist, wobei dieser Zustand der Oxidschicht durch periodische und/oder kontinuierliche Messungen ermittelt wird.According to the invention, this task is performed by one Procedure according to Preamble of claim 1 solved in that to protect the oxide layer of the thermally stressed components with an excess of oxygen is driven, its height depends on the respective state of the oxide layer, this state the oxide layer by periodic and / or continuous measurements is determined.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass es mit dem erfindungsgemässen Verfahren möglich ist, einen unerwünschten Abtrag der schützenden Oxidschicht auf den Oberflächen der thermisch belasteten metallischen Bauteile zu verhindern und somit einer korrosive Schädigung und einem vorzeitigen Ausfall der entsprechenden Bauteile vorzubeugen.The advantages of the invention exist in that it is possible with the method according to the invention, an unwanted Removal of the protective Oxide layer on the surfaces to prevent the thermally stressed metallic components and thus corrosive damage and prevent premature failure of the corresponding components.
Vorteilhafterweise wird der Zustand der Oxidschicht der thermisch belasteten Bauteile anhand von Proben mit einer vorgängig kalibrierten Oberflächenbeschaffenheit ermittelt, indem die besagten Proben in die heisse Strömung eingebracht werden, dieser Strömung eine gewisse Zeit ausgesetzt werden und anschliessend periodisch entnommen und untersucht werden. Dieses Verfahren ist relativ einfach zu realisieren.The condition is advantageous the oxide layer of the thermally stressed components based on samples with a previous calibrated surface quality determined by introducing said samples into the hot flow, this current be suspended for a period of time and then periodically taken and examined. This procedure is relatively simple to realize.
Es ist aber ebenso möglich, dass der Zustand der Oxidschicht an mindestens einem thermisch belasteten Bauteil online kontrolliert wird. Die online-Kontrolle basiert vorzugsweise auf einer Emissionsmessung mit online-Referenz oder auf einer Analyse von Reflexionsspektren.But it is also possible that the state of the oxide layer on at least one thermally stressed Component is checked online. The online control is preferably based on one Emission measurement with online reference or on an analysis of reflection spectra.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die aus der Kontrolle des Zustandes der Oxidschicht gewonnenen Informationen mit Informationen kombiniert werden, welche aus den Messergebnissen einer λ-Sonde gewonnen werden. Dann kann eine am Zustand der Oxidschicht orientierte, hinsichtlich Leistung und Wirkungsgrad optimierte Fahrweise der Anlage erzielt werden.It is also an advantage if the information obtained from checking the state of the oxide layer can be combined with information from the measurement results a λ probe be won. Then an oriented towards the state of the oxide layer optimized driving style with regard to performance and efficiency Plant can be achieved.
Es ist zweckmässig, wenn zusätzlich Informationen über die lokale Zusammensetzung des Verbrennungsgases in der Turbine berücksichtigt werden. Derartige Informationen können beispielsweise mit Hilfe einer spektralen Emissionsanalyse gewonnen werden.It is useful if additional information about the local composition of the combustion gas in the turbine are taken into account. Such information can obtained with the help of a spectral emission analysis, for example become.
Schliesslich ist das erfindungsgemässe Verfahren auch vorteilhaft anwendbar bei Kreislaufsystemen, bei denen das Arbeitsmedium durch Wärmeabfuhr verflüssigt und anstelle des Verdichters eine Pumpe eingesetzt wird, oder bei Systemen, bei denen ein integrierter Membran-Reaktor an die Stelle der Brennkammer tritt.Finally, the method according to the invention also advantageously applicable to circulatory systems in which the Working medium through heat dissipation liquefied and a pump is used instead of the compressor, or in systems where an integrated membrane reactor takes the place of the combustion chamber occurs.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings
In der Zeichnung sind vier Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:There are four exemplary embodiments in the drawing presented the invention. Show it:
In den Figuren sind jeweils gleiche Positionen mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen bezeichnet.The figures are the same in each case Provide positions with the same reference numerals. The flow direction the media is marked with arrows.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to Execute the invention
Nachfolgend wird die Erfindung anhand
von Ausführungsbeispielen
und der
In
Im Gegensatz zu konventionellen Gasturbinen, bei denen die Abgase stets noch einen hohen Anteil an Sauerstoff enthalten, kann das vorwiegend aus CO2 und H2O bestehende Arbeitsmedium in einem solchen Kreislaufprozess reduzierende Eigenschaften haben. Dadurch kann es bei hohen Temperaturen, wie sie in der Brennkammer und der Turbine herrschen, zu einem Abtrag der schützenden Oxydschicht auf den Metalloberflächen kommen. Um diesem Vorgang entgegenzuwirken, wird nun erfindungsgemäss die Verbrennung mit einem geeigneten Sauerstoffüberschuss betrieben. Der Sauerstoffüberschuss wird z. B. durch eine im Abgasstrom der Turbine angeordnete λ-Sonde kontrolliert.In contrast to conventional gas turbines, in which the exhaust gases always contain a high proportion of oxygen, the working medium consisting mainly of CO 2 and H 2 O can have reducing properties in such a cycle process. As a result, the protective oxide layer on the metal surfaces can be removed at high temperatures, such as those prevailing in the combustion chamber and the turbine. In order to counteract this process, the combustion is now operated according to the invention with a suitable excess of oxygen. The excess of oxygen is e.g. B. controlled by a λ probe arranged in the exhaust gas flow of the turbine.
Da die Zusammenhänge zwischen dem Sauerstoffüberschuss
und dem Auf- und
Abbau der Oxidschicht sehr komplex sein können, ist es von Vorteil, wenn
zusätzlich
Informationen über
den Zustand der Oxidschicht auf den durch hohe Temperaturen gefährdeten
Bauteilen für
die Einstellung der Höhe
des Sauerstoffüberschusses
herangezogen werden. Gemäss
Das online-Oxidschichtmonitoring beruht darauf, mit einem geeignet aufgebauten optischen (Reflexions-) Sensor zu erkennen, ob eine Oxidschicht auf einer Metalloberfläche vorliegt.Online oxide layer monitoring relies on using a suitably designed optical (reflection) Sensor to detect whether there is an oxide layer on a metal surface.
Oxidierte und nichtoxidierte Oberflächen unterscheiden sich in zwei wesentlichen Punkten:
- 1. Der Emissionsgrad einer oxidierten Oberfläche ist sehr hoch, z. B. beträgt er für eine typische Ni-Basis-Superlegierung im nahen IR >0.8. Für eine nichtoxidierte Oberfläche desselben Materials liegt der Emissionsgrad unter denselben Bedingungen wesentlich tiefer (<0.5). Dies hat als Konsequenz, dass bei einer gegebenen Temperatur ohne aktive Beleuchtung die oxidierte Oberfläche deutlich mehr Strahlung emittiert als die nichtoxidierte Oberfläche. Bei Beleuchtung mit einer externen Quelle reflektiert die oxidierte Schicht weniger als die nichtoxidierte.
- 2. Das spektrale Emissionsverhalten, d.h. abgestrahltes (oder reflektiertes) Signal als Funktion der Wellenlänge, ändert sich im oxidierten Zustand gegenüber dem nichtoxidierten.
- 1. The emissivity of an oxidized surface is very high, e.g. B. for a typical Ni-based superalloy in the near IR> 0.8. For an unoxidized surface of the same material, the emissivity is significantly lower (<0.5) under the same conditions. The consequence of this is that at a given temperature without active lighting, the oxidized surface emits significantly more radiation than the non-oxidized surface. When illuminated with an external source, the oxidized layer reflects less than the non-oxidized one.
- 2. The spectral emission behavior, ie emitted (or reflected) signal as a function of the wavelength, changes in the oxidized state compared to the non-oxidized one.
Falls sich das Abstrahlverhalten im relevanten Temperaturbereich nicht wesentlich ändert, kann z. B. ein rein passiver Sensor aus dem relativen Verhältnis der emittierten IR-Strahlung bei zwei oder mehr geeigneten Wellenlängen auf die Oberflächenbeschaffenheit schliessen. Die Relativmessung hat den Vorteil, dass sie unempfindlich auf Verluste im optischen Pfad reagiert (z. B. Staub auf Sichtfenster), sofern sich diese gleich bei beiden Wellenlängen bemerkbar machen.If the radiation behavior does not change significantly in the relevant temperature range, e.g. B. a purely passive sensor from the relative ratio of emitted IR radiation at two or more suitable wavelengths the surface quality conclude. The relative measurement has the advantage that it is insensitive reacts to losses in the optical path (e.g. dust on viewing window), if make themselves felt at both wavelengths.
Robuster sind Verfahren mit aktiver, breitbandiger Beleuchtung. Hierbei wird die Oberfläche breitbandig, beispielsweise mit dem Licht einer Halogenlampe, bestrahlt und das reflektierte Licht spektral analysiert. Durch Vergleich mit dem Beleuchtungssignal lässt sich für jede Wellenlänge der Reflexionsgrad bestimmen und eine Quotientenbildung bei verschiedenen Wellenlängen gibt Aufschluss über die Oberflächenbeschaffenheit.Procedures with active, broadband lighting. The surface becomes broadband, for example, irradiated with the light of a halogen lamp and that reflected light analyzed spectrally. By comparison with that Illumination signal leaves for any wavelength determine the degree of reflection and form a quotient for different wavelength provides information about the surface quality.
Als Beispiel wird die Legierung Hastelloy X genannt, für die sich ein Quotient aus zwei optischen Bandpässen, um 1.6 μm (λ1) und um 2.1 μm (λ2), zur Analyse anbietet. Im Falle einer nichtoxidierten Oberfläche wird bei λ2 mehr reflektiert als bei λ1, während es beim Vorliegen einer Oxidschicht genau umgekehrt ist. Licht beider Wellenlängen kann über Lichtwellenleiter flexibel übertragen werden. Um die Bandpässe und Beleuchtungsstrategie festzulegen, müssen die optischen Eigenschaften des jeweiligen Brennkammermaterials bekannt sein oder vorab bestimmt werden.The Hastelloy X alloy is mentioned as an example, for which a quotient of two optical bandpasses, around 1.6 μm (λ 1 ) and around 2.1 μm (λ 2 ), is suitable for analysis. In the case of a non-oxidized surface, more is reflected at λ 2 than at λ 1 , whereas it is exactly the opposite when an oxide layer is present is returning. Light of both wavelengths can be transmitted flexibly via optical fibers. To determine the bandpasses and lighting strategy, the optical properties of the respective combustion chamber material must be known or determined in advance.
Vorteilhaft ist es, wenn die aus der Kontrolle des Zustandes der Oxidschicht gewonnenen Informationen mit Informationen kombiniert werden, welche aus den Messergebnissen einer λ-Sonde gewonnen werden zum Zwecke der Einstellung einer am Zustand der Oxidschicht orientierten, hinsichtlich Leistung und Wirkungsgrad optimierten Fahrweise der Anlage. Darüber hinaus können zum Beispiel Informationen über die lokale Zusammensetzung des Verbrennungsgases in der Turbine einbezogen, wobei diese Informationen beispielsweise mit Hilfe einer Emissionsanalyse gewonnen werden können.It is advantageous if the out the control of the state of the oxide layer can be combined with information from the measurement results a λ probe be obtained for the purpose of hiring a state of Oxide layer oriented, in terms of performance and efficiency optimized operation of the system. In addition, for Example information about the local composition of the combustion gas in the turbine included, this information for example with the help of an emission analysis can be won.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in
Zur Begrenzung des maximalen Betriebsdruckes können in diesem Beispiel stufenweise Verdichtungs- und Entspannungsprozesse mit zwischengeschalteter Wärmezu- bzw. -abfuhr vorgesehen werden.To limit the maximum operating pressure can in this example, gradual compression and relaxation processes with intermediate heat or removal are provided.
Ein letztes Ausführungsbeispiel ist in
Insbesondere der Membran-Reaktor
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht
auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt. Beispielsweise
können
die Messungen an mehren Stellen erfolgen oder es können sowohl
kontinuierliche online- Messungen
als auch periodische Messungen an kalibrierten Proben
- 11
- Verdichtercompressor
- 22
- Brennkammercombustion chamber
- 33
- Turbineturbine
- 44
- Wärmesenke, beispielsweise Kühler oder AbwärmeverwerterHeat sink for example cooler or waste heat recovery
- 55
- Wasserabscheiderwater
- 66
- CO2-EntnahmestelleCO 2 withdrawal point
- 77
- Probesample
- 88th
- online-Messungonline measurement
- 99
- Pumpepump
- 1010
- CO2-VerflüssigerCO 2 liquefier
- 1111
- Membran-ReaktorMembrane reactor
- 1212
- heisse Luft mit reduziertem O2-Gehalthot air with reduced O 2 content
- 1313
- Sweep-GasSweep Gas
- 1414
- stromteilendes Regelventilstream-splitting control valve
- 1515
- Sweep-TurbineSweep turbine
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Legal Events
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Owner name: ALSTOM TECHNOLOGY LTD, BADEN, CH |
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