DE19831425A1 - Operating method for gas turbine by producing pumpable ice slurry and spraying into combustion air - Google Patents

Operating method for gas turbine by producing pumpable ice slurry and spraying into combustion air

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Abstract

The method involves supplying the exhaust gases from the gas turbine (1) through a steam boiler (7) producing steam. A refrigerating unit (11) is driven with the steam produced in the steam boiler. A pumpable ice slurry is produced in the refrigerating unit and sprayed into the combustion air fed to the gas turbine. The ice slurry is preferably produced at light loading, stored in a container (14) and deposited in the combustion air during peak loading.

Description

Gasturbinen verbrennen einen Brennstoff (in der Regel Gas oder Öl, im nachfolgenden wird - unabhängig vom Brennstoff - der Begriff "Gasturbine" verwendet) durch Zufuhr von Verbren­ nungsluft. Die Wellenleistung der Gasturbine ist unter ande­ rem davon abhängig, welche Temperatur die Verbrennungsluft aufweist. Bei ansonsten gleichen Bedingungen kann eine Gas­ turbine mehr Wellenleistung abgeben, wenn die Luft kälter als bei Nennbedingungen ist; ist die Luft wärmer, so sinkt die Wellenleistung.Gas turbines burn a fuel (usually gas or oil, in the following - regardless of the fuel - the term "gas turbine" used) by supplying combustion air. The shaft power of the gas turbine is among others rem depends on the temperature of the combustion air having. Under otherwise identical conditions, a gas turbine output more shaft power when the air is colder than at nominal conditions; if the air is warmer, it sinks Shaft power.

Es kann daher vorteilhaft sein, die Verbrennungsluft von Gas­ turbinen vorzukühlen. Üblicherweise wird dazu eine mechani­ sche Kältemaschine verwendet. Eine solche mechanische Kälte­ anlage benötigt elektrischen Strom, der bei der Stromabgabe der Gasturbine fehlt, insbesondere zu Spitzenlastzeiten, wenn die Gasturbine maximale Leistung abgeben soll.It can therefore be advantageous to remove the combustion air from gas to pre-cool turbines. Usually a mechani chiller used. Such mechanical cold System requires electrical power, which is used for the power supply the gas turbine is missing, especially at peak load times when the gas turbine should deliver maximum power.

Absorptionskälteanlagen können ohne nennenswerten Elektro­ energiebedarf mit der Abwärme der Gasturbine betrieben wer­ den, dafür kann man mit Absorptionsanlagen auf der Basis Lithiumbromid/Wasser (Wasser ist das Kältemittel) kein spei­ cherbares Eis erzeugen. Ebenso ist die Temperatur des kalten Wassers oftmals nicht tief genug (min. 4 bis 7°C, fabrikat­ abhängig). Die Kälteanlage muß entweder für den Betriebsfall bei maximaler Stromerzeugung ausgelegt werden und wird somit groß, oder es muß kaltes Wasser gespeichert werden, wozu gro­ ße Speicher notwendig sind. Absorption refrigeration systems can do without any noteworthy electrical equipment energy demand operated with the waste heat of the gas turbine you can do that with absorption systems on the basis Lithium bromide / water (water is the refrigerant) no food Generate ice cream. Likewise, the temperature of the cold Water often not deep enough (min. 4 to 7 ° C, make dependent). The refrigeration system must either for the operating case be designed at maximum power generation and thus large, or cold water must be stored, which is great memory are necessary.  

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine zu schaffen.The invention has for its object an improved To provide a method of operating a gas turbine.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Aus­ gestaltungen der Erfindung an.According to the invention, this object is achieved through the features of the An spell 1 solved. The dependent claims give advantageous designs of the invention.

Anders als bei der Verwendung einer mechanischen Kälteanlage tritt bei der hier vorgeschlagenen Verwendung einer Kälte­ anlage mit Strahlapparat kein nennenswerter Bedarf an elek­ trischem Strom auf (im wesentlichen nur für die Pumpen). Da­ mit entfällt das Problem der gleichzeitigen Abdeckung elek­ trischer Spitzenlast und zusätzlicher Versorgung einer mecha­ nischen Kälteanlage mit elektrischem Strom und es wird - im Vergleich zum Betrieb der mechanischen Kälteanlage mit ge­ speichertem Kühlmedium kaum wertvoller elektrischer Strom be­ nötigt.Unlike when using a mechanical refrigeration system occurs in the use of cold suggested here system with blasting apparatus no significant need for elec electric current (essentially only for the pumps). There with eliminates the problem of simultaneous electrical coverage peak load and additional supply of a mecha African refrigeration system with electrical current and it will - in Comparison to the operation of the mechanical refrigeration system with ge stored cooling medium hardly valuable electrical current be compelled.

Im Unterschied zur Absorberkälteanlage kann bei der vorge­ schlagenen Verwendung einer Kälteanlage mit Strahlapparat speicherbares Binäreis erzeugt werden, was mit Lithiumbro­ mid/Wasser-Absorbern nicht möglich ist. Damit ist es möglich, den Betrieb der dampfbetriebenen Kälteanlage mit Strahlappa­ rat zur Binäreeiserzeugung zu solchen Tageszeiten ablaufen zu lassen, wenn keine Spitzenleistung gefahren werden muß, womit aller Dampf für die Dampfturbine zur zusätzlichen Stromerzeu­ gung verfügbar ist. Die Verbrennungsluft wird in dieser Zeit mit gespeichertem Binäreis gekühlt. Die Absorberkälteanlage wird hingegen bevorzugt (fast zwangsläufig) während des elek­ trischen Spitzenbetriebes gefahren, wodurch Dampf für die zu­ sätzliche Stromerzeugung entzogen wird.In contrast to the absorber refrigeration system, the pre proposed use of a refrigeration system with blasting apparatus storable binary ice are generated, what with Lithiumbro mid / water absorbers is not possible. So it is possible the operation of the steam-operated refrigeration system with Strahappa Advice on binary ice cream production at such times of day is about to expire leave when no peak power has to be driven, with what all steam for the steam turbine for additional electricity generation supply is available. The combustion air is in this time cooled with stored binary ice. The absorber refrigeration system is preferred (almost inevitably) during the elec trical operation, which creates steam for the additional electricity generation is withdrawn.

Im Unterschied zu Wasserkühlern mit einer mechanischen Kälte­ anlage oder einem Absorber benötigt die vorgeschlagene Kälte­ anlage mit Strahlapparat keine Wärmeübertragungsflächen im Behälter (Verdampfer). Daher darf das Kühlmedium verschmutzt sein, ohne die Funktion oder die Leistungszahl der Kälteanla­ ge mit Dampfantrieb zu verschlechtern. Damit entfällt eine aufwendige Wartung und Reinigung von Wärmeaustauschern.In contrast to water coolers with mechanical cold system or an absorber requires the proposed cold system with blasting device no heat transfer surfaces in the Container (evaporator). The cooling medium may therefore be contaminated  be without the function or the coefficient of performance of the refrigeration system worsen with steam propulsion. This eliminates one complex maintenance and cleaning of heat exchangers.

Versprüht man Binäreis zur Verbrennungsluftkühlung, so wird die Verbrennungsluft durch das versprühte Kühlmedium ganz oder teilweise von Staub, Aerosolen, Sand und anderen ab­ scheidbaren Schadstoffen aus der Luft gereinigt. Dies hat ei­ nen positiven Einfluß auf den Betrieb der Gasturbine. Es ist also aus betrieblichen, energetischen und anwendungsbezogenen Gründen zweckmäßig, die Kälteanlage zur Verbrennungsluft­ kühlung so zu wählen, daß die Vorteile der dampfbetriebenen Kälteanlage mit einem Strahlapparat zur Erzeugung von Binä­ reis zur Geltung kommen.If you spray binary ice for combustion air cooling, then the combustion air through the sprayed cooling medium or partially from dust, aerosols, sand and others separable pollutants cleaned from the air. This has egg NEN positive influence on the operation of the gas turbine. It is So from operational, energetic and application-related Reasonable, the refrigeration system to the combustion air to choose cooling so that the advantages of steam-powered Refrigeration system with a blasting device for generating binary rice come into their own.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Figur bei spiel­ haft erläutert.The invention is based on a figure in the game explained.

Eine Gasturbine 1 wird mit einem Brennstoff 2 unter Zuführung von Verbrennungsluft 3 betrieben und stellt mechanische Ener­ gie (bei Stromerzeugung: elektrische Energie) 4 zur Verfü­ gung. Das Abgas 5 wird über einen Abgaskanal 6 abgeführt. Da­ bei beheizt das heiße Abgas einen Kessel 7, der Dampf 8 er­ zeugt.A gas turbine 1 is operated with a fuel 2 while supplying combustion air 3 and provides mechanical energy (for power generation: electrical energy) 4 . The exhaust gas 5 is discharged via an exhaust duct 6 . Since the hot exhaust gas heats a boiler 7 , the steam 8 it produces.

Der Dampf 8 kann dazu verwendet werden, um mit einer Dampf­ turbine 9 zusätzliche mechanische Leistung bzw. elektrischen Strom 10 zu erzeugen. Der abgearbeitete Dampf oder das Kon­ densat aus der Dampfturbine kann an den als Wärmeaustauscher ausgebildeten Kessel 7 zurückgegeben werden.The steam 8 can be used to generate additional mechanical power or electrical current 10 with a steam turbine 9 . The processed steam or the condensate from the steam turbine can be returned to the boiler 7 designed as a heat exchanger.

Der Dampf 8 wird alternativ oder gleichzeitig zum Betrieb ei­ ner Kälteanlage 11 (bestehend aus 12, 13 und 20) verwendet Diese Kälteanlage 11 ist eine Dampfstrahlkälteanlage zur Bi­ näreiserzeugung mit einem Strahlapparat 12, der mit Dampf 8 betrieben wird. The steam 8 is alternatively or simultaneously for the operation ei ner refrigeration system 11 (consisting of 12, 13 and 20) used this refrigeration system 11 is a steam jet cooling to the Bi näreiserzeugung with a jet apparatus 12, which is operated with steam. 8

In einem Behälter 13 wird durch Vakuumhaltung und durch den vom Strahlapparat 12 erzeugten Unterdruck ein Druck einge­ stellt, bei dem Wasser verdampfen kann (Bildung von sog. "Flashdampf"). Das Wasser wird dabei ggf. abgekühlt. Beim Tripelpunkt des Wassers entstehen durch die Wasserverdampfung kleine Eiskristalle, die im Behälter 13 im Wasser suspendie­ ren und einen flüssigen, pumpfähigen Eisbrei ergeben (nach­ folgend als "Binäreis" bezeichnet). Das abgekühlte Wasser bzw. das Binäreis wird als Kühlmedium für die Verbrennungs­ luftkühlung verwendet.In a container 13 , a pressure is set by vacuum maintenance and by the vacuum generated by the jet apparatus 12 , at which water can evaporate (formation of so-called "flash vapor"). The water may be cooled. At the triple point of the water, small ice crystals are formed by the water evaporation, which suspendie ren in the container 13 in the water and result in a liquid, pumpable ice pulp (hereinafter referred to as "binary ice"). The cooled water or binary ice is used as the cooling medium for the combustion air cooling.

Das mit der Kälteanlage 11 erzeugte Binäreis wird in einem Behälter 14 gespeichert, wodurch die Spitzenlastdeckung er­ leichtert oder überhaupt erst erreicht wird. Ebenso kann der Behälter 14 zur hydraulischen Entkoppelung dienen ("Pufferbe­ hälter"). Das Kühlmedium wird aus dem Behälter 13 (ohne Spei­ cherung) oder aus dem Behälter 14 (Speicher-/Pufferbehälter) über eine Pumpe 15 zur Versprühung in einer Kammer 16 trans­ portiert.The binary ice generated with the refrigeration system 11 is stored in a container 14 , whereby the peak load coverage is facilitated or is reached in the first place. Likewise, the container 14 can be used for hydraulic decoupling ("Pufferbe container"). The cooling medium is transported from the container 13 (without storage) or from the container 14 (storage / buffer container) via a pump 15 for spraying in a chamber 16 .

Diese Kammer 16 ersetzt den üblichen Oberflächenkühler (z. B. Luftkühler mit Lamellen- oder Glattrohren). Dabei wird in der Sprühkammer 16 das Kühlmedium "Binäreis" in die Verbrennungs­ luft einsprüht und dadurch die gewünschte Kühlung der Luft erzielt. Die Versprühung erfolgt durch Düsen 17, welche ggf. der Länge der Sprühkammer nach hintereinander geschaltet sind, um durch mehrstufige Fahrweise eine hohe Luftabkühlung sicherzustellen.This chamber 16 replaces the usual surface cooler (e.g. air cooler with finned or smooth tubes). In this case, in the spraying chamber 16, the cooling medium "binary" is used in the combustion einsprüht air and thereby achieve the desired cooling of the air. The spraying takes place through nozzles 17 , which are optionally connected in series along the length of the spray chamber in order to ensure high air cooling through a multi-stage operation.

Da bei der Versprühung von Binäreis der Taupunkt der Verbren­ nungsluft unterschritten wird, kondensiert Wasserdampf aus der Verbrennungsluft aus, vorzugsweise an der Oberfläche der Kühlmediumtröpfchen, ggf. auch an Stellen, die durch ver­ sprühtes Kühlmedium gekühlt werden. Das Kühlmedium wird bei Taupunktunterschreitung mit kondensiertem Wasserdampf ange­ reichert.Because when spraying binary ice the dew point of burning If the air is too low, water vapor condenses out the combustion air, preferably on the surface of the Coolant droplets, if necessary, also in places caused by ver sprayed cooling medium to be cooled. The cooling medium is at  Below the dew point with condensed water vapor enriches.

Wegen der Taupunktunterschreitung sind Tröpfchen des Kühlme­ diums und auskondensierten Wasserdampfes in der gekühlten Verbrennungsluft vorhanden, welche zweckmäßigerweise durch einen Tropfenabscheider 18 eliminiert werden, sofern nicht bereits andere Maßnahmen getroffen wurden oder der Tropfen­ eintrag an der Gasturbine toleriert werden kann.Because the temperature drops below the dew point, droplets of the cooling medium and condensed water vapor are present in the cooled combustion air, which are expediently eliminated by a droplet separator 18 , unless other measures have already been taken or the droplet entry on the gas turbine can be tolerated.

Bei Taupunktunterschreitung ist es demnach unerheblich, ob man eine Tropfenabscheidung nur wegen des kondensierten Was­ serdampfes oder wegen der gleichzeitigen Anwesenheit von Tröpfchen des Kühlmediums vornimmt. Daher ist die Versprühung von Binäreis nicht nachteiliger als die Luftkühlung über ei­ nen Oberflächenkühler.If the temperature falls below the dew point, it is therefore irrelevant whether a drop separation only because of the condensed what steam or because of the simultaneous presence of Droplets of the cooling medium. Hence the spraying from binary ice no more disadvantageous than air cooling via egg surface cooler.

Die in der Sprühkammer der Verbrennungsluft entzogene Wärme teilt sich dem Kühlmedium dergestalt mit, daß die Eiskristal­ le des Binäreises ganz oder teilweise aufgeschmolzen werden. Sofern die Eiskristalle des Binäreises vollständig aufschmel­ zen können ist es möglich, das Kühlmedium zusätzlich zu er­ wärmen. Läßt man diese Anhebung des Rücklaufes des Kühlmedi­ ums bei Binäreisbetrieb zu, so ist die Enthalpiedifferenz des Kühlmediums höher und Kühlmedium-Massenstrom, Rohrleitungs­ querschnitte sowie Pumpenleistung verringern sich entspre­ chend.The heat extracted from the combustion air in the spray chamber communicates with the cooling medium in such a way that the ice crystal le of the binary ice are melted in whole or in part. If the ice crystals of the binary ice melt completely zen it is possible to add the cooling medium to warm. Leaving this increase in the return of the cooling medium In order to operate with binary ice operation, the enthalpy difference is the Cooling medium higher and cooling medium mass flow, pipeline cross-sections and pump performance are reduced accordingly chatting.

Das Kühlmedium wird nach Beaufschlagung der Verbrennungsluft mittels der Pumpe 19 zum Behälter 13 zurückgeführt (ggf. in eine Vorlage für den Behälter 13). Es ist auch möglich, das zurückfließende Kühlmedium in mehreren Stufen abzukühlen bzw. zu Binäreis zu machen.After exposure to the combustion air, the cooling medium is returned to the container 13 by means of the pump 19 (possibly into a template for the container 13 ). It is also possible to cool the returning cooling medium in several stages or to make it binary ice.

Der Strahlapparat 12 fördert das Gemisch aus Dampf 8 ("Treib­ dampf") und Flashdampf (der sog. "Mischdampf") zum Verflüssi­ ger 20, welcher mit Kühlwasser 21 gekühlt wird. Der verflüs­ sigte Mischdampf wird an den Wärmeaustauscher 7 mittels der Pumpe 22 zurückgefördert und wieder vorgewärmt bzw. ver­ dampft.The jet apparatus 12 promotes the mixture of steam 8 ("driving steam") and flash steam (the so-called "mixed steam") to the condenser 20 , which is cooled with cooling water 21 . The liquefied mixed steam is returned to the heat exchanger 7 by means of the pump 22 and preheated or evaporated again.

Claims (4)

1. Verfahren zum Betreiben einer mit Brennstoff und Verbrennungsluft beschickten Gasturbine, gekennzeichnet durch:
  • - Führen der Abgase der Gasturbine (1) unter Erzeu­ gung von Dampf (8) durch einen Dampfkessel (7),
  • - Betreiben einer Kälteanlage (11) mit dem in dem Dampfkessel (7) erzeugten Dampf (8),
  • - Erzeugen eines pumpfähigen Eisbreis in der Kältean­ lage (11), und
  • - Einsprühen des pumpfähigen Eisbreis in die der Gasturbine (1) zugeführte Verbrennungsluft (3).
1. A method for operating a gas turbine fed with fuel and combustion air, characterized by :
  • - guiding the exhaust gases of the gas turbine ( 1 ) while generating steam ( 8 ) through a steam boiler ( 7 ),
  • Operating a refrigeration system ( 11 ) with the steam ( 8 ) generated in the steam boiler ( 7 ),
  • - Generating a pumpable ice slurry in the refrigeration system ( 11 ), and
  • - Spraying the pumpable ice slurry into the combustion air ( 3 ) supplied to the gas turbine ( 1 ).
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Erzeugen des Eisbreis zur Schwachlast, Speichern des Eisbreis in einem Behälter (14) und Abgeben des Eis­ breis in die Verbrennungsluft (3) zur Spitzenlast.2. The method according to claim 1, characterized by generating the ice slurry for low load, storing the ice slurry in a container ( 14 ) and releasing the ice slurry into the combustion air ( 3 ) for peak load. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kälteanlage (11) ein von dem Dampf (8) betriebener Strahlapparat ist.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the refrigeration system ( 11 ) is a jet apparatus operated by the steam ( 8 ). 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kälteanlage (11) eine mit einer von dem Dampf (8) betriebenen Dampfturbine (9) versehene mechanische Kälteanlage ist.4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the refrigeration system ( 11 ) is provided with a steam turbine ( 8 ) operated steam turbine ( 9 ) provided mechanical refrigeration system.
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