DE19900026A1

DE19900026A1 - Gasturbine mit Dampfeindüsung

Info

Publication number: DE19900026A1
Application number: DE19900026A
Authority: DE
Inventors: Hans Ulrich Frutschi
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 1999-01-02
Filing date: 1999-01-02
Publication date: 2000-07-06
Anticipated expiration: 2019-01-03
Also published as: DE19900026B4

Abstract

Bei einer Gasturbine mit Dampfeindüsung, wobei die Gasturbine im wesentlichen aus einer Verdichtereinheit, aus mindestens einer Brennkammer, mindestens einer Turbine und einem Generator besteht, und wobei die Abgase aus der Turbine einen Abhitzedampferzeuger beaufschlagen, wird mindestens eine Heißwassermenge (24) aus dem Abhitzedampferzeuger (14) und mindestens eine Frischwassermenge (25) in die Verdichtereinheit (1) eingeleitet. Aus der Verdichtereinheit (1) an geeigneter Stelle hinsichtlich Druck und Temperatur wird mindestens eine Kühlluftmenge (22, 23) entnommen, welche zur Kühlung der thermisch belasteten Aggregate der Gasturbine eingesetzt wird.

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbine mit Dampfeindüsung gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Aus EP-0 770 771 A1 ist ein zwischengekühlter Verdichter im Zusammenhang mit einer offenen Gasturbine mit Abwärmerückgewinnung bekanntgeworden. Die aus dieser Druckschrift hervorgehende Schaltung besteht im wesentlichen aus einem axialdurchströmten, zweiteiligen Verdichter mit dazwischengeschalteten Kühler, einer Brennkammer, einer Turbine und einem Rekuperator. Der erste Verdichter teil ist mit einer Mehrzahl von Wassereinspritzungen versehen. Der zwischen den Verdichterteilen wirkende Kühler weist Mittel zur Wasserrekuperation auf, welche über eine Förderpumpe mit den Wassereinspritzungen verbunden sind. Dabei werden diese Wassereinspritzungen im Verdichter jeweils in der Ebene der Leit schaufeln angeordnet und sie erstrecken sich über der ganzen Höhe des durch strömten Verdichterkanals. Die Anlage wird dergestalt betrieben, dass über die Mehrzahl der Wassereinspritzungen jeweils soviel Wasser zugegeben wird, dass das entstehende Dampf/Luft-Gemisch während der Verdichtung die Wassersättigungslinie nicht unterschreitet, und dass im Endkühler die zwischenverdich tete Luft soweit hinuntergekühlt wird, dass zumindest annähernd alles einge spritzte Wasser auskondensiert und nach dessen Reinigung wiederum den Was sereinspritzungen zugeführt wird.

Diese Schaltung weist indessen keine befriedigende Wirkungsgradssteigerung, weil der im Verdichter erzeugte Dampf in der Turbine keine Arbeit leistet.

Darstellung der Erfindung

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde bei einer Gasturbine der eingangs genannten Art deren Wirkungsgrad und spezifische Leistung kräftig zu steigern.

Die Grundschaltung der Gasturbogruppe eignet sich sowohl für eine einfach be feuerte Gasturbine als auch für eine solche mit sequentieller Verbrennung. Die wesentlichen Aspekte der Erfindung sind darin zu sehen, dass bei einer Ga sturbine mit Dampfeinblasung die Verdichteraustrittstemperatur gesenkt werden kann, ohne dass der Wirkungsgrad durch einen Kühlluftkühler verschlechtert wird. Im ersten Teil der Verdichtung wird eine Verdampfungskühlung durch eine do sierte Wassereinspritzung bewerkstelligt. Dabei halten sich der Rückgang an Ver dichterleistungsbedarf und der Mehrbedarf an Brennstoff im Rahmen des Wir kungsgrades einer Gasturbine mit Dampfeinblasung etwa die Waage. Für mode rate Turbineneintriftstemperaturen von 1200-1300°C wird durch die Massnahme eine weitere Leistungserhöhung erzielt, ohne dass die Luftüberschusszahl in der Brennkammer zu niedrig wird. Allenfalls lässt sich durch eine Dampfbeimischung oder im Grenzfall durch reine Dampfkühlung mehr Brennluft über die Brenner füh ren.

Die erfindungsgemässe Schaltung kommt deshalb ohne einen Kühlluftkühler aus, weil die Temperatur der Luft im Verdichter tief bleibt, somit ist diese Luft unmittel bar für den Einsatz als Kühlmedium tauglich.

Vorteilhafte und zweckmässige Weiterbildungen der erfindungsgemässen Aufga benlösung sind in den weiteren Ansprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfin dung dargestellt und näher erläutert. Alle für das unmittelbare Verständnis der Er findung nicht erforderlichen Elemente sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung der Medien ist mit Pfeilen angegeben. Gleiche Elemente sind in den verschiede nen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt:

Fig. 1 eine Schaltung einer Gasturbine mit direkter Dampfeinblasung,

Fig. 2 eine weitere Schaltung mit Hochdruckdampfeinblasung und Gegendruck turbine.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Fig. 1 zeigt eine Gasturbogruppe, welche mit einem Abhitzedampferzeuger 14 in Wirkverbindung steht, wobei der in diesem Abhitzedampferzeuger 14 bereitge stellte Dampf an geeigneter Stelle in die Gasturbogruppe eingeblasen wird. Die Gasturbogruppe als autonome Einheit besteht aus einem Verdichter 1, des weite ren aus einer dem Verdichter 1 nachgeschalteten ersten Brennkammer 4, einer dieser Brennkammer 4 nachgeschalteten ersten Turbine 7, einer dieser Turbine 7 nachgeschalteten zweiten Brennkammer 9 und einer dieser Brennkammer 9 nachgeschalteten zweiten Turbine 12. Die genannten Strömungsmaschinen 1, 7, 12 weisen eine einheitliche Rotorwelle 18 auf, welche durch eine nicht ersichtliche Kupplung mit der ebenfalls nicht ersichtlichen Welle eines Generators 19 gekop pelt ist. Diese Rotorwelle 18 ist vorzugsweise auf zwei nicht gezeigten Lagern gelagert, welche kopfseitig des Verdichters 1 und stromab der zweiten Turbine 12 plaziert sind. Die vorliegende Verdichterstufe ist zweigeteilt 1a, 1b, wobei hier auch der Einsatz eines radialen Verdichters möglich ist. Die angesaugte Luft 2 strömt nach deren Verdichtung vorzugsweise in ein nicht gezeigtes Gehäuse, das in sich den Verdichteraustritt und die erste Turbine 7 einschliesst. In diesem Ge häuse ist auch die erste Brennkammer 4 untergebracht, welche vorzugsweise als zusammenhängende Ringbrennkammer ausgebildet ist und worin die verdichtete Luft 3 einströmt. Die Ringbrennkammer 4 weist kopfseitig, auf den Umfang ver teilt, eine Anzahl von nicht näher dargestellten Brennern auf, welche die Verbren nung aufrechterhalten. An sich können hier auch Diffusionsbrenner zum Einsatz gelangen. Im Sinne einer Reduzierung der Schadstoff-Emissionen, insbesondere was die NOx-Emissionen betrifft, und zur Steigerung des Wirkungsgrades ist es vorteilhaft, eine Anordnung von Vormischbrennern gemäss EP-0 321 809 B1 vor zusehen, wobei der Patentgegenstand aus dieser Druckschrift einen integrieren den Bestandteil dieser Beschreibung bildet; darüber hinaus gilt dies auch hinsicht lich der dort beschriebenen Art der Brennstoffzuführung 5,10 und der Zusam mensetzung der Verbrennungsluft, welche beispielsweise mit einem rückgeführten Rauchgas angereichert werden kann. Bezüglich Art der Zuführung und der Zu sammensetzung der Verbrennungsluft gilt dies auch für die zweite Brennkammer 9. Was die Anordnung dieser Vormischbrenner in Umfangsrichtung der Ring brennkammer 4 betrifft, so kann eine solche bei Bedarf von der üblichen Konfigura tion gleicher Brenner abweichen, statt dessen können unterschiedlich grosse Vor mischbrenner zum Einsatz kommen. Selbstverständlich kann die Ringbrennkam mer 4 aus einer Anzahl einzelner autonomer rohrförmiger Brennräume bestehen, welche allenfalls schrägringförmig, bisweilen auch schraubenförmig, um die Roto rachse angeordnet sind. Diese Ringbrennkammer 4, unabhängig von ihrer Ausle gung, wird und kann geometrisch so angeordnet werden, dass sie auf die Rotor länge praktisch keinen Einfluss ausübt. Auf die daraus resultierenden Vorteile aus einer solchen Disposition, wird weiter unten näher eingegangen. Die Heissgase 6 aus dieser Ringbrennkammer 4 beaufschlagen die unmittelbar nachgeschaltete erste Turbine 7, deren kalorisch entspannende Wirkung auf die Heissgase 6 be wusst minimal gehalten wird, d. h. diese Turbine 7 wird demnach aus nicht mehr als eine bis zwei bis drei Laufschaufelreihen bestehen. Bei einer solchen Turbine 7 wird nötig sein, einen Druckausgleich an den Stirnflächen zwecks Stabilisierung des Axialschubes vorzusehen. Die in Turbine 7 teilentspannten heissen Abgase 8, welche unmittelbar in die zweite Brennkammer 9 strömen, weisen aus dargeleg ten Gründen eine recht hohe Temperatur auf, vorzugsweise ist sie betriebsspezi fisch so auszulegen, dass sie sicher noch um 1000°C beträgt. Diese zweite Brennkammer 9 hat im wesentlichen die Form eines zusammenhängenden ring förmigen axialen oder quasi-axialen Zylinders. Diese Brennkammer 9 kann selbst verständlich auch aus einer Anzahl axial, quasi-axial oder schraubenförmig ange ordneter und in sich abgeschlossener Brennräume bestehen. Was die Konfigura tion der ringförmigen, aus einem einzigen Brennraum bestehenden Brennkammer 9 betrifft, so sind in Umfangsrichtung dieses ringförmigen Zylinders mehrere Brennstofflanzen disponiert, welche in der Fig. 1 mit der Pos. 10 versinnbildlicht sind, wobei sie selbstverständlich über eine nicht gezeigte Ringleitung miteinander verbunden sein können. Diese Brennkammer 9 weist an sich keinen herkömmli chen Brenner auf: Die Verbrennung des in die aus der Turbine 7 kommenden hei ssen Abgase 8 eingedüsten Brennstoffes 10 geschieht hierdurch Selbstzündung, soweit freilich die vorherrschen Temperatur der teilentspannten Gase 8 eine sol che Betriebsart zulässt. Ausgehend davon, dass die Brennkammer 9 mit einem gasförmigen Brennstoff, also beispielsweise Erdgas, betrieben wird, muss für eine Selbstzündung eine Temperatur der heissen Abgase 8 aus der Turbine 7 um die 1000°C vorliegen, und dies selbstverständlich auch bei Teillastbetrieb, was für die Auslegung dieser Turbine 7 eine ursächliche Rolle spielt. Um die Betriebssicher heit und einen hohen Wirkungsgrad bei einer auf Selbstzündung ausgelegten Brennkammer zu gewährleisten, ist es eminent wichtig, dass die Flammenfront ortsmässig stabil bleibt. Zu diesem Zweck werden in dieser Brennkammer 9, vor zugsweise an der Innen- und Aussenwand, in Umfangsrichtung disponiert, eine Reihe von in der Figur nicht gezeigten Wirbel-Generatoren vorgesehen, welche in axialer Richtung vorzugsweise stromauf der Brennstofflanzen 10 plaziert sind. Die Aufgabe dieser Wirbel-Generatoren besteht darin, Wirbel zu erzeugen, welche weiter strömab eine Rückströmzone, analog derjenige aus den Vormischbrennern in der Ringbrennkammer 4, induzieren. Da es sich bei dieser Brennkammer 9, aufgrund ihrer axialen Anordnung und ihrer Baulänge, um eine Hochgeschwindig keitsbrennkammer handelt, deren mittlere Geschwindigkeit grösser ca. 60 m/s beträgt, müssen die wirbelerzeugenden Elemente entsprechend ausgebildet sein. Anströmungsseitig sollen diese vorzugsweise aus einer tetraederförmigen Form mit anströmungsschiefen Flächen bestehen. Diese wirbelerzeugenden Elemente können entweder an der Aussenfläche oder an der Innenfläche der Brennkammer 5 plaziert sein, oder beiderorts wirken. Die schiefen Flächen zwischen den au ssenliegenden und innenliegenden wirbelerzeugenden Elemente sind vorzugs weise spiegelbildlich angeordnet, dergestalt, dass im diesem Bereich an sich eine Verengung des Durchflussquerschnittes resultiert. Abströmungsseitig wird dann Brennstoff 10 in die Wirbel eingedüst, und weiter stromab findet eine Quer schnittserweiterung mit einem Conda-Effekt statt. In diesem Bereich wirkt die Flammenfront mit der sich dort einstellenden Rückströmzone. Selbstverständlich können die wirbelerzeugenden Elemente auch axial zueinander verschoben sein. Die abströmungsseitige Fläche der wirbelerzeugenden Elemente ist im wesentli chen radial ausgebildet. Hinsichtlich der spezifischen Ausgestaltung der Wirbel- Generatoren wird auf die Druckschrift EP-0 619 133 A1 verwiesen, welche einen integrierenden Bestandteil dieser Beschreibung bildet. Die Selbstzündung in der Brennkammer 9 muss indessen auch in den transienten Lastbereichen sowie im Teillastbereich der Gasturbogruppe gesichert bleiben, d. h. es müssen allenfalls Hilfsvorkehrungen vorgesehen werden, welche die Selbstzündung in der Brenn kammer 9 auch dann sicherstellen, wenn sich eine Flexion der Temperatur der heissen Abgase 8 im Bereich der Eindüsung des Brennstoffes 10 einstellen sollte. Durch die extrem kurze Baulänge dieser Brennkammer 9 ist die Verweilzeit des Brennstoffes im Bereich der heissen Flammenfront minimal. Eine unmittelbar ver brennungsspezifisch messbare Wirkung hieraus betrifft die NOx-Emissionen, wel che eine Minimierung erfahren, dergestalt, dass sie nunmehr kein Thema mehr bilden. Diese Ausgangslage ermöglicht ferner, den Ort der Verbrennung klar zu definieren, was sich auf eine optimierte Kühlung der Strukturen dieser Brenn kammer 9 niederschlägt. Die in der Brennkammer 9 aufbereiteten Heissgase 11 beaufschlagen anschliessend eine nachgeschaltete zweite Turbine 12. Die ther modynamischen Kennwerte der Gasturbogruppe können so ausgelegt werden, dass die Abgase 13 aus der zweiten Turbine 12 noch soviel kalorisches Potential aufweisen, um damit einen nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger 14 zu betrei ben,auch zur Erzeugung eines hochqualitativen Dampfes. Anschliessend strömen diese Abgase als Rauchgase 15 ab. Dieser Abhitzedampferzeuger 14 wird über eine Förderpumpe 27 fortlaufend mit Frischwasser 26 gespeist, wobei im Abhitze dampferzeuger 14 grundsätzlich mehrere Dampf- und Wasserqualitäten bereitge stellt werden können. Vorliegend wird hochdruckseitig 14b eine überhitzte Dampfmenge 20 entnommen, welche der Verbrennungsluft vorzugsweise stromab der Verdichtereinheit 1 beigemischt wird und vornehmlich der spezifischen Lei stungssteigerung dient. Danebst wird vorzugsweise aus dem Economizer 14a ei ne Heisswassermenge 24, allenfalls Dampfmenge, entnommen, welche über ein Regelorgan 16 in den ersten Teil 1a der Verdichterstufe eingeleitet wird. Grund sätzlich lässt sich aus diesem Economizer 14a vorgewärmtes Wasser 24 zu jeder Druckstufe im Verdichter 1a und/oder 1b passender Temperatur entnehmen. Es ist auch möglich, dieses Wasser 24 dort in Abständen von mehreren Verdichter stufen einzudüsen. Dieses Wasser 24 kann dabei durch die Leitschaufeln des Verdichters geführt werden und durch radial verteilte Bohrungen oder Schlitze an der Hinterkante eingedüst werden. Wählt man eine direkte Einspritzung, so müs sen die axialen Stufenabstände entsprechend bemessen sein. Stromauf dieser Eindüsung oder an anderer Stelle wird in denselben Verdichterteil 1a, ebenfalls über ein Regelorgan 17, eine Wassermenge 25 eingeleitet. So gesehen arbeitet der zweite Teil 1b der Verdichtereinheit 1 ohne innere Kühlung, wobei eine solche Schaltung nicht unabdingbar ist. Damit ist es möglich, jene optimierte Dampf- oder Wasserqualität an geeigneten Stellen in den Verdichter resp. stromauf oder stromab dieses Verdichters einzubringen. Die Lufttemperatur in diesem Verdich ter, insbesondere im zweiten Teil 1b desselben, ist somit ideal geeignet, um als Kühlluft für die thermisch belasteten Komponenten der Gasturbogruppe zu die nen, womit die hier beschriebene Schaltung ohne Einsatz eines Kühlluftkühlers auskommt. Die Kühlung der thermisch belasteten Aggregate der Gasturbogruppe wird durch die Leitungen 22 und 23 erstellt, dergestalt, dass je nach vorherr schendem Druck in den einzelnen zu kühlenden Aggregaten eine entsprechende Anzapfstelle im Verdichter vorgesehen wird. Dies geht aus der Zeichnung hervor, wo beispielsweise für die Kühlung der mit höherem Druck betriebenen ersten Tur bine 7 eine Kühlluft 22 höheren Druckes eingesetzt wird. Diese Kühlluft 22 lässt sich dann wahlweise mit einer Dampfmenge 21 aus dem Abhitzedampferzeuger mischen. Fällt aus irgendeinem Grund die Kühlung durch Luft aus, so kann dieser Dampf 21 eingreifen. Die hier gezeigten Kühlluftstränge 21, 22, 23 erheben nicht Anspruch auf Abschliesslichkeit, sie sind nur unter einem qualitativen Aspekt zu verstehen. Diese Kühlstränge können darüber hinaus, je nach Bedarfsfall, in offe nen oder geschlossenen Kühlpfäden gehalten werden. Beim offenen Kühlpfad ist es so, dass unmittelbar nach getaner Kühlvorgang die Kühlluft an geeigneter Stelle in den Kreislaufprozess der Gasturbogruppe eingeleitet wird. Bei einem ge schlossenen Kühlpfad wird die Kühlluft sequentiell eingesetzt, wobei diese Kühlluft schliesslich auch an geeigneter Stelle in den Kreislauf eingeleitet wird.

Fig. 2 unterscheidet sich gegenüber Fig. 1 dadurch, dass die Gasturbogruppe mit einer Gegendruckturbine 28 gekoppelt ist, welche mit einer Dampfmenge 20 aus dem Economizer 14b betrieben wird, und welche unter anderen der Leistungs steigerung dient. Der hieraus abströmende Dampf 29 wird dann stromauf der er sten Brennkammer 4 an geeigneter Stelle in den Kreislauf eingeleitet. Von diesem Dampf 29 lässt sich stromauf seiner Einleitung in den Kreislaufprozess eine Dampfmenge abzweigen, welche in die Kühlluft 22 eingemischt wird, im Sinne ei ner optimierten Kühlluftbereitstellung, was Masse, Druck und Temperatur für die jeweils zu kühlenden Aggregaten betrifft. Die restlichen Kühlluftprozesse entspre chen den unter Fig. 1 bereits erläuterten Vorkehrungen und Vorgängen.

Bezugszeichenliste

1

Verdichter

1

a Verdichterteil

1

b Verdichterteil

2

Angesaugte Luft

3

Verdichtete Luft

4

Erste Brennkammer

5

Brennstoff, Brennstoffzuführung, Brennstofflanze

6

Heissgase

7

Erste Turbine

8

Teilentspannte Heissgase

9

Zweite Brennkammer

10

Brennstoff, Brennstoffzuführung, Brennstofflanze

11

Heissgase

12

Zweite Turbine

13

Abgase

14

Abhitzedampferzeuger

14

a Economizer

14

b Hochdruckstufe

15

Rauchgase

16

Regelorgan

17

Regelorgan

18

Welle

19

Generator

20

Überhitzter Dampf

21

Dampfmenge zur Beimischung

22

Kühlluft

23

Kühlluft

24

Heisswassermenge aus dem Economizer

25

Wasser

26

Frischwasser

27

Förderpumpe

28

Gegendruckturbine

29

Dampf aus der Gegendruckturbine

30

Abzweigung einer Dampfmenge aus

29

Claims

1. Gasturbine mit Dampfeindüsung, wobei die Gasturbine im wesentlichen aus einer Verdichtereinheit, aus mindestens einer Brennkammer, minde stens einer Turbine und einem Generator besteht, und wobei die Abgase - aus der Turbine einen Abhitzedampferzeuger beaufschlagen, dadurch ge kennzeichnet, dass mindestens eine aus dem Abhitzedampferzeuger (14) mittelbar oder unmittelbar abgeleitete Dampfmenge und/oder Heisswas sermenge (24), und/oder eine von aussen zugeleitete Frischwassermenge (25) in die Verdichtereinheit (1) einleitbar sind, und dass aus der Verdich tereinheit (1) an geeigneter Stelle hinsichtlich Druck und Temperatur min destens eine Kühlluftmenge (22, 23) zur Kühlung der thermisch belasteten Aggregate der Gasturbine entnehmbar ist.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdich tereinheit (1) aus mindestens zwei Verdichterteilen (1a, 1b) besteht, und dass der zweite Verdichterteil (1b) in Strömungsrichtung ohne innere Küh lung arbeitet.

3. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dampf menge (20) aus dem Abhitzedampferzeuger (14) in den Kreislaufprozess der Gasturbine einleitbar ist.

4. Gasturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampf menge (20) direkt stromab der Verdichtereinheit (1) eindüsbar ist.

5. Gasturbine nach den Ansprüche 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfmenge (20) eine Gegendruckturbine (28) beaufschlägt, und an schliessend in den Kreislaufprozess der Gasturbine einleitbar ist.

6. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zum Abhitzedampferzeuger (14) gehörigen Economizer (14a) vorgewärmtes Wasser ( 24) zu jeder Druckstufe in der Verdichtereinheit (1) passender Temperatur entnehmbar ist.

7. Gasturbine nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zum Abhitzedampferzeuger (14) gehörigen Economizer (14a) vor gewärmtes Wasser (24) in Abständen von mehreren Verdichterstufen ein düsbar ist.

8. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dampf menge (21, 30) der Kühlluft (22, 23) beimischbar ist.

9. Gasturbine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampf menge (21, 22) als Kühlmedium fungiert.

10. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbi ne auf einer sequentiellen Befeuerung aufgebaut ist.