DE10231879B4 - Method for influencing and controlling the oxide layer on thermally stressed metallic components of CO2 / H2O gas turbine plants - Google Patents

Method for influencing and controlling the oxide layer on thermally stressed metallic components of CO2 / H2O gas turbine plants Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Beeinflussung und Kontrolle der Oxidschicht auf thermisch belasteten metallischen Bauteilen von CO2/H2O-Gasturbinenanlagen; wobei ein kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff mit Sauerstoff verbrannt wird und das dabei entstehende überschüssige CO2 und H2O dem Kreislaufsystem an geeigneter Stelle entnommen wird, 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.Method for influencing and controlling the oxide layer on thermally stressed metallic components of CO2 / H2O gas turbine plants; wherein a hydrocarbonaceous fuel is burned with oxygen and the resulting excess CO2 and H2O is taken from the circulatory system at a suitable location, characterized in that is driven to protect the oxide layer of the thermally stressed components with an excess of oxygen whose height depends on the respective state of the oxide layer and wherein 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 thermisch belasteten metallischen Bauteilen von CO2/H2O-Gasturbinenanlagen.The invention relates to a method for influencing and controlling the oxide layer on thermally stressed metallic components of CO2 / H2O gas turbine plants.

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.Are known CO 2 / H 2 O gas turbine plants with a largely closed CO 2 gas turbine cycle. Such a gas turbine plant 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, eg natural gas with methane CH4 as main component) reacts with the oxygen of the atmosphere prepared from O 2 , CO 2 and optionally H 2 O.

Die durch die Verbrennung entstehenden Komponenten CO2 und H2O, sowie die 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 resulting by the combustion components CO2 and H2O, as well as possibly introduced with the oxygen or natural gas inert gases are continuously removed, so that a circuit with a largely constant composition of the working medium is maintained.

Ein derartiges Verfahren zur Beeinflussung von CO2/H2O-Gasturbinenanlagen ist aus dem Dokument EP 0 939 199 A1 bekannt, bei dem ein kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff mit Sauerstoff verbrannt wird und das dabei entstehende überschüssige CO2 und H2O dem Kreislaufsystem an einer geeigneten Stelle entnommen wird.Such a method for influencing CO 2 / H 2 O gas turbine plants is from the document EP 0 939 199 A1 known in which a hydrocarbonaceous fuel is burned with oxygen and the resulting excess CO 2 and H 2 O is removed from the circulatory system at a suitable location.

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 plants, where the exhaust gases still contain a high proportion of O 2 , the working medium consisting predominantly of CO 2 and H 2 O can have reducing properties in such a cyclic process. As a result, it can be disadvantageous at the high temperatures that usually prevail in the combustion chamber and in the turbine, to a removal of the protective oxide layer on the metal surfaces of the thermally stressed components. These components then corrode quickly and can lead to unwanted premature failure.

Dem Fachmann ist aus dem Dokument US 3 696 678 A ein Verfahren bekannt, bei dem der Zustand von Turbinenschaufelschichten kontinuierlich, d. h. online, vermessen wird.The skilled person is from the document US Pat. No. 3,696,678 a method is known in which the state of turbine blade layers continuously, that is measured online.

Darstellung der ErfindungPresentation of 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 thermisch belasteten Bauteilen 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 to develop a method for influencing and controlling the oxide layer on thermally loaded components of CO 2 / H 2 O gas turbines. The process should be as simple as possible.

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.This object is achieved in a method according to the preamble of claim 1, characterized in that is driven to protect the oxide layer of the thermally stressed components with an excess of oxygen whose height depends on the respective state of the oxide layer, said state of 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 are that it is possible with the inventive method to prevent unwanted removal of the protective oxide layer on the surfaces of the thermally stressed metallic components and thus to prevent corrosive damage and 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.Advantageously, the state of the oxide layer of the thermally stressed components is determined on the basis of samples having a previously calibrated surface texture by introducing the said samples into the hot flow, exposing them to this flow for a certain time and then periodically taking them out and examining them. This method is relatively easy to implement.

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 oder auf einer Analyse von Reflexionsspektren.But it is also possible that the state of the oxide layer is controlled on at least one thermally loaded component online. The online control is preferably based on an emission measurement 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 Gasturbinenanlage erzielt werden.Furthermore, it is advantageous if the information obtained from the control of the state of the oxide layer is combined with information obtained from the measurement results of a λ-probe. Then, it is possible to achieve an operating mode of the gas turbine plant which is oriented on the state of the oxide layer and optimized in terms of performance and efficiency.

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 expedient if, in addition, information about the local composition of the combustion gas in the turbine is taken into account. Such information can be obtained, for example, by means of a spectral emission analysis.

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 is also advantageously applicable to Circulation systems in which the working fluid is liquefied by heat removal and a pump is used in place of the compressor, or in systems in which an integrated membrane reactor takes the place of the combustion chamber.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

In der Zeichnung sind vier Ausführungsbeispiele dargestellt. Es zeigen:In the drawing, four embodiments are shown. Show it:

1 ein Kreislaufschema einer Gasturbinenanlage in einer ersten Ausführungsvariante; 1 a circuit diagram of a gas turbine plant in a first embodiment;

2 ein Kreislaufschema einer Gasturbinenanlage in einer zweiten Ausführungsvariante; 2 a circuit diagram of a gas turbine plant in a second embodiment variant;

3 ein Kreislaufschema einer Anlage in einer dritten Ausführungsvariante und 3 a circuit diagram of a system in a third embodiment and

4 ein Kreislaufschema einer Gasturbinenanlage mit integriertem Membran-Reaktor. 4 a circuit diagram of a gas turbine plant with integrated membrane reactor.

In den Figuren sind jeweils gleiche Positionen mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen bezeichnet.In the figures, the same positions are respectively provided with the same reference numerals. The direction of flow of the media is indicated by arrows.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der 1 bis 4 veranschaulicht.The invention will be described below with reference to FIG 1 to 4 illustrated.

In 1 ist ein zum großen Teil geschlossener CO2-Gasturbinenkreislauf dargestellt. Er besteht im Wesentlichen aus einem Verdichter 1, einer Brennkammer 2, einer Turbine 3, einer Wärmesenke 4, einem Wasserabscheider 5 und einer CO2-Entnahmestelle 6. Der Kreislauf weist eine innere Verbrennung eines Kohlenwasserstoffes, beispielsweise eines Erdgases, welches hauptsächlich aus Methan CH4 besteht, in einer aus O2, CO2 und gegebenenfalls H2O aufbereiteten Atmosphäre auf. Die durch die Verbrennung entstehenden Komponenten CO2 und H2O, sowie gegebenenfalls mit dem Sauerstoff oder dem Erdgas zugeführte Inertgase werden laufend entfernt, so dass ein Kreislauf mit weitgehend konstanter Zusammensetzung des Arbeitsmediums aufrechterhalten bleibt.In 1 a largely closed CO2 gas turbine cycle is shown. It essentially consists of a compressor 1 , a combustion chamber 2 , a turbine 3 , a heat sink 4 a water separator 5 and a CO 2 discharge point 6 , The circuit has an internal combustion of a hydrocarbon, for example a natural gas, which consists mainly of methane CH4, in an atmosphere prepared from O 2 , CO 2 and optionally H 2 O. The resulting by the combustion components CO 2 and H 2 O, and optionally with the oxygen or the natural gas supplied inert gases are continuously removed, so that a circuit with a substantially constant composition of the working medium is maintained.

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, where the exhaust gases still contain a high proportion of oxygen, the working medium consisting mainly of CO2 and H2O can have reducing properties in such a cycle process. As a result, at high temperatures, as prevail in the combustion chamber and the turbine, come to a removal of the protective oxide layer on the metal surfaces. In order to counteract this process, combustion according to the invention is now operated with a suitable excess of oxygen. The oxygen excess is z. B. controlled by a arranged in the exhaust stream of the turbine λ-probe.

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 1 wird dies erreicht, indem eine Probe 7 mit einer zuvor kalibrierten Oberflächenbeschaffenheit an mindestens einer exponierten Stelle in der Brennkammer 2 angeordnet, periodisch entnommen und der Oberflächenzustand untersucht wird. Diese Probe 7 charakterisiert den Zustand des thermisch belasteten Bauteiles und dient als Grundlage für die einzustellende Größe des Sauerstoffüberschusses.Since the relationships between the excess of oxygen and the assembly and disassembly of the oxide layer can be very complex, it is advantageous if in addition information about the state of the oxide layer on the components at high temperatures are used for adjusting the amount of oxygen excess. According to 1 This is achieved by taking a sample 7 with a previously calibrated surface finish on at least one exposed point in the combustion chamber 2 arranged, taken periodically and the surface state is examined. This sample 7 characterizes the state of the thermally loaded component and serves as the basis for the size of the excess oxygen to be set.

2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel werden hier keine in Bezug auf den Oberflächenzustand kalibrierten Proben 7 verwendet, sondern hier wird der Zustand der Oxidschicht der thermisch hochbelasteten Bauteile, beispielsweise der Leitschaufel der Turbine 3, kontinuierlich ermittelt, indem ein an sich bekanntes optisches Messverfahren 8, welches auf einer Analyse von Reflexionsspektren basiert, zur online-Messung des Oberflächenzustandes eingesetzt wird. Auf Grund dieser Messungen wird dann die Größe des notwendigen Sauerstoffüberschusses ermittelt und geregelt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann z. B. die online-Kontrolle auf einer Emissionsmessung basieren. 2 shows a further embodiment of the invention. Unlike the in 1 As shown in the first embodiment, no samples calibrated with respect to the surface condition are described here 7 but here is the state of the oxide layer of the thermally highly stressed components, such as the blade of the turbine 3 , continuously determined by a per se known optical measuring method 8th , which is based on an analysis of reflection spectra, is used for online measurement of the surface state. On the basis of these measurements, the size of the necessary oxygen excess is then determined and regulated. In another embodiment, z. B. the online control based on emission measurement.

Das online-Oxidschichtmonitoring beruht darauf, mit einem geeignet aufgebauten optischen (Reflexions-)Sensor zu erkennen, ob eine Oxidschicht auf einer Metalloberfläche vorliegt.The online oxide layer monitoring is based on detecting with an appropriately constructed optical (reflection) sensor whether an oxide layer is present 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.Oxidized and non-oxidized surfaces differ in two important ways: 1. The emissivity of an oxidized surface is very high, e.g. For example, for a typical Ni-base superalloy in the near IR, it is> 0.8. For a non-oxidized surface of the same material, the emissivity is much lower under the same conditions (<0.5). As a consequence, at a given temperature without active illumination, 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 unoxidized one. 2. The spectral emission behavior, d. H. radiated (or reflected) signal as a function of wavelength changes in the oxidized state relative to the non-oxidized.

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, z. B. Close a purely passive sensor from the relative ratio of the emitted IR radiation at two or more suitable wavelengths on the surface texture. The relative measurement has the advantage that it reacts insensitive to losses in the optical path (eg dust on viewing window), provided that they are noticeable 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.More robust are methods with active, broadband illumination. Here, the surface is broadband, for example, with the light of a halogen lamp, irradiated and the reflected light spectrally analyzed. By comparison with the illumination signal, the reflectance can be determined for each wavelength and a quotient of different wavelengths provides information about the surface condition.

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.An example is the alloy Hastelloy X, for which a quotient of two optical bandpass filters, around 1.6 μm (λ 1 ) and around 2.1 μm (λ 2 ), is offered for analysis. In the case of a non-oxidized surface, more is reflected at λ 2 than at λ 1 , whereas in the case of an oxide layer it is exactly the opposite. Light of both wavelengths can be flexibly transmitted via fiber optic cables. In order to establish the bandpasses and lighting strategy, the optical properties of the particular combustor material must be known or predetermined.

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 information obtained from the control of the state of the oxide layer is combined with information obtained from the measurement results of a λ probe for the purpose of setting a condition of the oxide layer oriented, optimized in terms of performance and efficiency driving the system. In addition, for example, information about the local composition of the combustion gas can be included in the turbine, which information can be obtained for example by means of an emission analysis.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in 3 dargestellt. Im Gegensatz zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Arbeitsmedium durch Wärmeabfuhr in einem CO2-Verflüssiger 10 verflüssigt und anstelle des Verdichters wird eine Pumpe 9 verwendet, mittels derer das flüssige Arbeitsmedium zur Brennkammer 2 gebracht wird.Another embodiment is in 3 shown. Unlike the in 1 illustrated embodiment, the working medium by heat dissipation in a CO2 liquefier 10 liquefied and instead of the compressor is a pump 9 used, by means of which the liquid working medium to the combustion chamber 2 is brought.

Zur Begrenzung des maximalen Betriebsdruckes können in diesem Beispiel stufenweise Verdichtungs- und Entspannungsprozesse mit zwischengeschalteter Wärmezu- bzw. -abfuhr vorgesehen werden.In order to limit the maximum operating pressure, stepwise compression and expansion processes with interposed heat supply and removal can be provided in this example.

Ein letztes Ausführungsbeispiel ist in 4 dargestellt. Hier erfolgt die Reaktion von CH4 mit O2 in einem von einem Verdichter 1 mit komprimierter Luft versorgten Membran-Reaktor 11, wobei die eine Seite der Membran mit einem Sweep-Gas 13 gespült wird, das aus dem oben beschriebenen heißen CO2/H2O-Gemisch mit geringem O2-Anteil besteht. Der Membran-Reaktor 11 ist somit in den Sweep-Cycle der Gasturbinenanlage integriert, welcher außerdem ein stromteilendes Regelventil 14 aufweist. Mit Hilfe des stromteilenden Regelventils 14 wird geregelt, welcher Anteil des Sweep-Gases 13 der nachgeschalteten Sweep-Turbine 15 zugeführt wird und welcher Anteil im Sweep-Cycle verbleibt. Die aus dem Membran-Reaktor 11 austretende heiße Luft mit reduziertem Sauerstoff-Gehalt 12 wird in der Turbine 3 entspannt.A final embodiment is in 4 shown. Here, the reaction of CH4 with O2 takes place in one of a compressor 1 equipped with compressed air membrane reactor 11 where one side of the membrane is a sweep gas 13 is flushed, which consists of the above-described hot CO2 / H2O mixture with low O2 content. The membrane reactor 11 is thus integrated into the sweep cycle of the gas turbine plant, which also has a current dividing control valve 14 having. With the help of the flow dividing control valve 14 is regulated, which part of the sweep gas 13 the downstream sweep turbine 15 is supplied and what proportion remains in the sweep cycle. The from the membrane reactor 11 escaping hot air with reduced oxygen content 12 will be in the turbine 3 relaxed.

Insbesondere der Membran-Reaktor 11, die Sweep-Turbine 15 und gegebenenfalls nicht dargestellte zusätzlich enthaltene Wärmeübertrager müssen in diesem Beispiel vor Korrosion geschützt werden, so dass an diesen Stellen online-Messungen 8 des Oberflächenzustandes des thermisch belasteten Bauteiles vorgenommen werden.In particular, the membrane reactor 11 , the sweep turbine 15 and optionally not shown additional heat exchangers must be protected in this example from corrosion, so that online measurements at these locations 8th the surface condition of the thermally loaded component are made.

Beispielsweise können die Messungen an mehreren Stellen erfolgen oder es können sowohl kontinuierliche online-Messungen als auch periodische Messungen an kalibrierten Proben 7 erfolgen.For example, measurements may be taken at multiple locations, or both continuous online measurements and periodic measurements on calibrated samples 7 respectively.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Verdichtercompressor
22
Brennkammercombustion chamber
33
Turbineturbine
44
Wärmesenke, beispielsweise Kühler oder AbwärmeverwerterHeat sink, for example radiator or waste heat recovery
55
Wasserabscheiderwater
66
CO2-EntnahmestelleCO2 extraction point
77
Probesample
88th
online-Messungonline measurement
99
Pumpepump
1010
CO2-VerflüssigerCO2 condenser
1111
Membran-ReaktorMembrane reactor
1212
heiße Luft mit reduziertem O2-Gehalthot air with reduced O2 content
1313
Sweep-GasSweep Gas
1414
stromteilendes Regelventilstream dividing control valve
1515
Sweep-TurbineSweep turbine

Claims (11)

Verfahren zur Beeinflussung und Kontrolle der Oxidschicht auf thermisch belasteten metallischen Bauteilen von CO2/H2O-Gasturbinenanlagen; wobei ein kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff mit Sauerstoff verbrannt wird und das dabei entstehende überschüssige CO2 und H2O dem Kreislaufsystem an geeigneter Stelle entnommen wird, 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.Method for influencing and controlling the oxide layer on thermally stressed metallic components of CO 2 / H 2 O gas turbine plants; wherein a hydrocarbonaceous fuel is burned with oxygen and the resulting excess CO 2 and H 2 O is taken from the circulatory system at a suitable location, characterized in that to protect the oxide layer of the thermally loaded components is driven with an excess of oxygen, the height of which is dependent on the respective state of the oxide layer, and wherein the state of the oxide layer is determined by periodic and / or continuous measurements. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand der Oxidschicht der thermisch belasteten Bauteile anhand von Proben (7) mit einer vorgängig kalibrierten Oberflächenbeschaffenheit ermittelt wird, indem die besagten Proben (7) in die heiße Strömung eingebracht werden, dieser Strömung eine gewisse Zeit ausgesetzt werden und anschließend periodisch entnommen und untersucht werden.A method according to claim 1, characterized in that the state of the oxide layer of the thermally stressed components based on samples ( 7 ) is determined with a previously calibrated surface finish, in which the said samples ( 7 ) are introduced into the hot flow, be exposed to this flow for a certain time and then periodically removed and examined. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand der Oxidschicht an mindestens einem thermisch belasteten Bauteil online kontrolliert wird.A method according to claim 1, characterized in that the state of the oxide layer is controlled on at least one thermally loaded component online. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die online-Kontrolle auf einer Emissionsmessung basiert.A method according to claim 3, characterized in that the on-line control is based on an emission measurement. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die online-Kontrolle auf einer Analyse von Reflexionsspektren basiert.A method according to claim 3, characterized in that the on-line control is based on an analysis of reflection spectra. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass 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 Gasturbinenanlage.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the information obtained from the control of the state of the oxide layer information is combined with information obtained from the measurement results of a λ-probe for the purpose of setting a state oriented to the oxide layer, with respect Performance and efficiency optimized operation of the gas turbine plant. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Informationen über die Zusammensetzung des Verbrennungsgases in der Turbine berücksichtigt werden.A method according to claim 6, characterized in that in addition information about the composition of the combustion gas in the turbine are taken into account. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Informationen mit Hilfe einer spektralen Emissionsanalyse gewonnen werden.A method according to claim 8, characterized in that the additional information is obtained by means of a spectral emission analysis. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem aus mindestens einem Verdichter (1), mindestens einer Brennkammer (2), mindestens einer Gasturbine (3), mindestens einer Wärmesenke (4), mindestens einem Wasserabscheider (5) und einer CO2-Entnahmestelle (6) bestehenden CO2/H2O-Kreislaufsystem der kohlenstoffhaltige Brennstoff in der Brennkammer (2) verbrannt wird.Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that in one of at least one compressor ( 1 ), at least one combustion chamber ( 2 ), at least one gas turbine ( 3 ), at least one heat sink ( 4 ), at least one water separator ( 5 ) and a CO 2 discharge point ( 6 ) existing CO 2 / H 2 O circulatory system of the carbonaceous fuel in the combustion chamber ( 2 ) is burned. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem aus mindestens einer Brennkammer (2), mindestens einer Gasturbine (3), mindestens einer Wärmesenke (4) und mindestens einem Wasserabscheider (5) bestehenden CO2/H2O-Kreislaufsystem der kohlenstoffhaltige Brennstoff in der Brennkammer (2) verbrannt wird und das Arbeitsmedium durch Wärmeabfuhr in einem CO2-Verflüssiger (10) verflüssigt und mittels einer Pumpe (9) zur Brennkammer (2) gebracht wird.Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that in one of at least one combustion chamber ( 2 ), at least one gas turbine ( 3 ), at least one heat sink ( 4 ) and at least one water separator ( 5 ) existing CO 2 / H 2 O circulatory system of the carbonaceous fuel in the combustion chamber ( 2 ) is burned and the working medium by heat removal in a CO2 condenser ( 10 ) liquefied and by means of a pump ( 9 ) to the combustion chamber ( 2 ) is brought. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem aus mindestens einem Verdichter (1), mindestens einem Membran-Reaktor (11), mindestens einer Gasturbine (3), mindestens einer Wärmesenke (4) und mindestens einem Wasserabscheider (5) bestehenden CO2/H2O-Kreislaufsystem der kohlenstoffhaltige Brennstoff in dem vom Verdichter (1) mit komprimierter Luft versorgten Membran-Reaktor (11) mit dem Sauerstoff zur Reaktion gebracht wird, wobei das CO2/H2O-Gemisch einerseits als Sweep-Gas (13) im Sweep-Cycle der Gasturbinenanlage mit integriertem Membran-Reaktor (11) verwendet wird und andererseits einer Sweep-Turbine (15) zugeführt wird.Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that in one of at least one compressor ( 1 ), at least one membrane reactor ( 11 ), at least one gas turbine ( 3 ), at least one heat sink ( 4 ) and at least one water separator ( 5 ) existing CO2 / H2O cycle system, the carbonaceous fuel in the compressor ( 1 ) supplied with compressed air membrane reactor ( 11 ) is reacted with the oxygen, wherein the CO 2 / H 2 O mixture on the one hand as sweep gas ( 13 ) in the sweep cycle of the gas turbine plant with integrated membrane reactor ( 11 ) and on the other hand a sweep turbine ( 15 ) is supplied.
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