DE2332698A1

DE2332698A1 - PROCEDURE FOR OPERATING A GAS TURBINE SYSTEM AND GAS TURBINE SYSTEM EQUIPPED FOR THE PROCESS

Info

Publication number: DE2332698A1
Application number: DE19732332698
Authority: DE
Inventors: Nebosja Prof Dipl I Gasparovic
Original assignee: Steag GmbH
Current assignee: Steag GmbH
Priority date: 1972-07-06
Filing date: 1973-06-27
Publication date: 1974-01-17
Also published as: NL7209417A

Description

Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage und für das Verfahren eingerichtete Gasturninenanlage Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage mit Verdichter und Brennkammer, wobei die Brennkammer für Primärverbrennungsluftzuführung und Sekundärverbrennungsluftzuführung eingerichtet ist und der Verbrennungsluft Wasser zur Reduzierung der Bildung von Stickoxiden zugesetzt wird. Die Erfindung bezieht sich fernerhin auf eine Anlage, die für dieses Verfahren besonders eingerichtet ist. Method for operating a gas turbine plant and for the method furnished gas turnin plant The invention relates to a method for Operation of a gas turbine system with a compressor and a combustion chamber, the combustion chamber set up for primary combustion air supply and secondary combustion air supply and the combustion air is water to reduce the formation of nitrogen oxides is added. The invention also relates to a system for this Procedure is specially set up.

Im Rahmen der (aus der Praxis) bekannten Maßnahmen der beschriebenen Gattung wird die Verbrennungsluft als einheitlicher Strom bis an die Brennkammer geführt und erst dort aufgeteilt, jedoch wird der gesamte Verbrennungslufstrom mit Wasser beladen. Das ist nachteilig. Für die Beeinflussung der Flammentemperatur durch Wassereinspritzung ist nur der im Primärverbrennungsluftstrom enthaltene Wasserdampf von Bedeutung. Der Wasserdampf in dem wesentlich größeren Sekundärverbrennungsluftstrom ist also nutzlos. Insbes. bei ortsbeweglichen Gasturbinen (z. B. in Kraftwagen) ist das Mitführen großer Wassermengen unzweckmäßig. Die Wassermenge würde aber im Rahmen der bekannten Maßnahmen etwa fünfmal so hoch sein wie die Kraftstoffmenge. - Bekanntlich ist für die Bildung von Stickoxide (unter anderen Einflußfaktoren'; die Temperatur der Flamme in der Brennkammer von besonderer Bedeutung. Eine niedrige Flammentemperatur bedingt eine gering@r@ Entwicklung von Stickoxiden Man erstr mit den Maßnahmen de; eingangs beschriebenen Gattung, wie bereits erwähnt, eine Beeinflussung der Flammentemperatur. Dazu sind auch andere Maßnahmer üblich. So ist es bekannt, das Wasser in die Primärbrennzone der Brennkammer einzuspritzen. Das beeinflußt den WirKungsgrad der Gasturbinenanlage ungünstig, weil für die Verdampfung des Wasserie viel Wärme verbraucht wird. Auch is es bekannt, Wasserdampf in die Brennkammer einzuspeisen, das ist nachteilig weil der Wasserdampf in einem Dampferzeuger gebildet werden muß womit die entsprechende Wärme für die Luftvorwärmung verlorengeht.Within the framework of the measures described (from practice) known The combustion air is used as a uniform stream up to the combustion chamber out and only divided there, but the entire flow of combustion air is included Laden with water. That is disadvantageous. For influencing the flame temperature by Water injection is only that in the primary combustion air stream contained water vapor is important. The water vapor in the much larger one So secondary combustion airflow is useless. Esp. in portable gas turbines Carrying large amounts of water is not practical (e.g. in a motor vehicle). The amount of water but would be about five times as high as the amount of fuel in the context of the known measures. - It is well known that the formation of nitrogen oxides (among other influencing factors'; the temperature of the flame in the combustion chamber is of particular importance. A low one Flame temperature causes a low @ r @ development of nitrogen oxides the measures de; type described at the beginning, as already mentioned, an influence the flame temperature. Other measures are also common for this purpose. So it is known inject the water into the primary combustion zone of the combustion chamber. That affects the efficiency of the gas turbine system is unfavorable because of the evaporation of the water a lot of heat is consumed. It is also known to feed steam into the combustion chamber, this is disadvantageous because the water vapor must be formed in a steam generator which means that the corresponding heat for preheating the air is lost.

Alle bekannten Maßnahmen sind daher unbefriedigend Bis heute ist mit geringer Wassermenge bzw. wirtschaftlich eine wirksame Reduzierung der Bildung von Stickoxyden nicht erreichbar.All known measures are therefore unsatisfactory until today is with small amount of water or an economically effective reduction in the formation of Nitrogen oxides cannot be reached.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , die eingangs beschriebenen Maßnahmen so winter auszubildenr daß mit geringer Wassermenge eine wirksame Reduktion der Bildung von Stickoxiden erreicht wird.The invention is based on the object described at the outset Measures so winter training that with a small amount of water an effective reduction the formation of nitrogen oxides is achieved.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage mit Verdichter und Brennkammer, wobei die Brenrknmmer für Primärerbrennunslu£tzuführung und Sekundä.rverbrennungsluftzuführung eingerichtet ist und der Verbrennungsluft Wasser zur Reduzierung der Bildung von Stickoxiden zugesetzt wird.The invention relates to a method for operating a gas turbine plant with compressor and combustion chamber, with the combustion chamber for primary combustion air supply and secondary combustion air supply is set up and the Combustion air water is added to reduce the formation of nitrogen oxides.

Die Erfindung besteht darin, daß der Verbrennungsluftstrom zwischen Verdichter und Brennkammer in einen Primärverbrennungsluftstrom und in einen Sekundärverbrennungsluftstrom aufgeteilt una nur dem Primärverbrennungsluftstrom das Wasser in Form von Flüssigwasser und/oder Wasserdampf zugegeben wird. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird der Primärverbrennungsluftstrom mit dem zugesetzten Wasser vor Einführung in die Brennkammer einer Vorwärmung unterworfen, und zwar im Wärmetausch mit Gasturbinenabgasen. Ebenso wird zweckmäßigerweise und in bekannter Weise der Sekundärverbrennungsluftstrom einer entsprechenden Vorwärmung unterworfen. Der vorgewärmte Primärverbrennungsluftstrom kann im Rahmen der Erfindung nach der Vorwärmung erneut mit Wasser versetzt und danach auch erneut vorgewärmt werden.The invention consists in that the combustion air flow between Compressor and combustion chamber into a primary combustion air stream and into a secondary combustion air stream the water in the form of liquid water is divided into the primary combustion air flow and / or steam is added. According to a preferred embodiment of the invention is the primary combustion air stream with the added water before introduction into the combustion chamber is subjected to preheating, in heat exchange with gas turbine exhaust gases. The secondary combustion air flow is also expediently and in a known manner subjected to appropriate preheating. The preheated primary combustion air stream can in the context of the invention after preheating again mixed with water and then also be preheated again.

Die erreichten Vorteile sind darin zu senen, daß erfindungsgemäß mit einer verhältnismäßig geringen Wassermenge die Reduzierung der Bildung von Stickoxiden in den Brennkammern von Gasturbinenanlagen gelingt. Es muß als überraschend angesehen werden, daß genau die ausreichende Wassermenge dem Primärverbrennungsluftitrom einer Gasturbinenanlage ohne Schwierigkeiten beigegeben werden kann. Beträgt der Gehalt an Stickoxiden bei einer normalen Gasturbinenanlage etwa 100 ppm, so läßt er sich im Rahmen der Erfindung auf unter 20 ppm vermindern, Die dazu erforderliche Wassermenge liegt bei 4 bis 8% des Gewichtes des Verbrennungsluftstromes und ist damit im Vergleich zu bekannten Maßnahmen extrem klein. Er entspricht mengenmäßig in etwa dem Kraftstoffverbrauch der Gasturbinenanlage. Das Mitführen einer solchen Wassermenge in ortsbeweglichen Anlagen verursacht keine erheblichen Schwierigkeiten. Von besonderem Vorteil ist die Tatsache, daß auch eine Anlage, die für das erfindungsgemäße Verfahren eingerichtet ist, sich von bekannten Anlagen nur wenig unterscheidet, nämlich nur dadurch, daß das Verbrennungsluftleitungssystem eine Primärverbrennungsluftleitung und eine Sekundärverbrennungsluftleitung aufweist und in der Primärverbrennungsluftleitung Düsen zur Wassereinführung angeordnet sind.The advantages achieved are to be seen in the fact that according to the invention with a relatively small amount of water reduces the formation of nitrogen oxides succeeds in the combustion chambers of gas turbine systems. It must be viewed as surprising be that exactly the sufficient amount of water to the primary combustion air Gas turbine plant can be added without difficulty. Is the salary of nitrogen oxides in a normal gas turbine system about 100 ppm, so it can be in the context of the invention to less than 20 ppm, the amount of water required for this is 4 to 8% of the weight of the combustion air flow and is in comparison with it to known measures extremely small. In terms of quantity, it roughly corresponds to fuel consumption the gas turbine plant. Carrying such an amount of water in portable Investment does not cause any significant difficulties. Is of particular advantage the fact, that also a system that is suitable for the inventive Procedure is set up, differs only slightly from known systems, namely only in that the combustion air line system is a primary combustion air line and a secondary combustion air line and in the primary combustion air line Nozzles for introducing water are arranged.

Die Primärverbrennungsluftleitung besitzt dann in Strömungsrichtung hinter diesen Düsen zur Wassereinführung einen Wärmeaustauscher, der wärmeseitig an die Gasturbine angeschlossen ist und durch die fühlbare Wärme der Gasturbinenabgase beheizt wird.The primary combustion air line then has in the direction of flow behind these nozzles for water introduction a heat exchanger on the heat side is connected to the gas turbine and by the sensible heat of the gas turbine exhaust gases is heated.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert, wobei gleichzeitig nicht nur die beschriebenen sondern auch weitere Merkmale einer für das erfindungsgemäße Verfahren eingerichteten Anlage offenbart werden.In the following the invention is based on only one embodiment Illustrative drawing explained in more detail, while not only the but also further features of a for the method according to the invention established facility are disclosed.

Es zeigen in schematischer Darstellung Fig. 1 eine Gasturbinenanlage, die für das erfindungsgemäße Verfahren eingerichtet ist, Fig. 2 eine andere Ausführungsform des Gegenstandes nach Fig. 1, Fig. 3 den Gegenstand nach Fig. 2 mit doppelter Wasserzuführung und doppelter Vorwärmung und Fig. 4 eine Abwandlung des Gegenstandes der Fig. 3.There are shown in a schematic representation Fig. 1 a gas turbine plant, which is set up for the method according to the invention, FIG. 2 shows another embodiment the object according to FIG. 1, FIG. 3 the object according to FIG. 2 with double water supply and double preheating, and FIG. 4 shows a modification of the object of FIG. 3.

Die in den Figuren dargestellte Gasturbinenanlage ist im einzelnen nicht spezifiziert, weil es auf diese Spezifizierung für die Erläuterung der Erfindung nicht ankommt. Insbesondere ist es belanglos, ob es sich z. B. um eine Zweiwellenanlage handelt oder nur um eine Einwellenanlage, auch ist unwesentlich, ob der Verdichter aus zwei Verdichtungsaggregaten mit Zwischenkühlung besteht. Jedenfalls gehören zur Anlage der Verdichter 1 und die Brennkammer 2 wobei ein Verbrennungsluftleistungssystem zwischen Verdichter und Brennkammer angeordnet ist. Das Verbrennungsluftleitungssystem besitzt eine Primärverbrennungsluftleitung 3 und eine Sekundärverbrennungsluftleitung 4, wobei in der Primärverbrennungsluftleitung Düsen 5 zur Wassereinführung angeordnet sind. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 befindet sich ein Wärmetauscher 6 in der Sekundärverbrennungsluftleitung 4, und zwar hinter den Düsen 5 zur Wassereinführung. Dieser Wärmetauscher 6 ist wärmeseitig über die Abgasleitung 7 an die Gasturbinenanlage G angeschlossen und durch die fühlbare Wärme der Gasturbinenabgase beheizt. Bei ir Ausführungsform nach Fig. 2 befindet sich ein solcher Wärmetauscher 6 zusätzlich auch in der Sekundärverbrennungsluftleitung 4, so daß beide Verbrennungsluftströme vorgewärmt werden. Die Reihenfolge der Vorwärmung läßt sich ohne weiteres optimieren.The gas turbine system shown in the figures is in detail not specified because it relies on this specification for the explanation of the invention does not arrive. In particular, it is irrelevant whether it is z. B. a two-shaft system or only a single-shaft system, it is also irrelevant whether the compressor is used consists of two compression units with intermediate cooling. Anyway, belong for the installation of the compressor 1 and the combustion chamber 2 with a combustion air power system is arranged between the compressor and combustion chamber. The combustion air duct system has a primary combustion air line 3 and a secondary combustion air line 4, wherein nozzles 5 for introducing water are arranged in the primary combustion air line are. In the embodiment of FIG. 1, there is a heat exchanger 6 in the Secondary combustion air line 4, behind the nozzles 5 for introducing water. This heat exchanger 6 is on the heat side via the exhaust pipe 7 to the gas turbine system G connected and heated by the sensible heat of the gas turbine exhaust gases. at In the embodiment according to FIG. 2, there is also such a heat exchanger 6 also in the secondary combustion air line 4, so that both combustion air flows be preheated. The sequence of preheating can easily be optimized.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist eine weitere Variante dargestellt worden, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Primärverbrennungsluftleitung 3 in Strömungsrichtung hinter ihrem Wärmetauscher 6 weitere Düsen 8 zur Einführung von Wasser und einen weiteren, nachgeschalteten Wärmetauscher 9 aufweist.In the embodiment according to FIG. 3, a further variant is shown which is characterized in that the primary combustion air line 3 in the direction of flow behind their heat exchanger 6 further nozzles 8 for introduction of water and a further, downstream heat exchanger 9.

In der Praxis würde man die beiden Wärmetauscher 6, 9 strömungstechnisch als eine Einheit bauen und ggf. als identische, parallel angeordnete Einrichtungen ausführen. Die in Fig. 4 dargestellte Abwandlung bringt eine besonders starke Vorwärmung des Primärverbrennungsluftstromes.In practice, the two heat exchangers 6, 9 would be fluidically Build as a unit and, if necessary, as identical facilities arranged in parallel carry out. The modification shown in Fig. 4 brings a particularly strong preheating of the primary combustion air flow.

Die Figuren erläutern, wie bei der dargestellten Anlage auf einfache Weise die Regelung der zugeführten Wassermenge erreicht wird. Das geschieht dadurch, daß die Düsen 5, 8 zur Einführung von Wasser in die Primärverbrennungsluftleitung 3 in zugeordnete Regelkreise 10 integriert sind, die als Istwertgeber in der Primärverbrennungsluftleitung 3 angeordnete Temperaturfühler 11 aufweisen. Sind nur Düsen 5 oder eine Düse 5 vorgesehen, wie dies in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, ist nur ein Regelkreis 10 des vorstehend beschriebenen Aufbaues erforderlich. Die Wassermenge kann beeinflußt werden, in dem der Regler 12 die zugeordnete Pumpe 13 oder auch die Düsen 5, 8 verstellt. Im Ergebnis erreicht man, daß der Verbrennungsluftstrom zwischen Verdichter 1 und Brennkammer 2 in einen Primärverbrennungsluftstrom und in einen Sekundärverbrennungsluftstrom aufgeteilt ist, wobei nur dem Primärverbrennungsluftstrom das Wasser zugesetzt wird, und zwar in Form von Flüssigwasser und/oder in Form von Wasserdampf und in einer Menge, die sich ohne Schwierigkeiten auf minimalem Gehalt der Stickoxide in den Gasturbinenabgasen einstellen läßt.The figures explain how in the illustrated system in a simple way Way the regulation of the amount of water supplied is achieved. This happens by that the nozzles 5, 8 for introducing water into the primary combustion air line 3 are integrated into assigned control loops 10, which act as actual value transmitters in the primary combustion air line Have 3 arranged temperature sensors 11. If only nozzles 5 or one nozzle 5 are provided, as shown in Figs. 1 and 2, only one control loop 10 is the above described structure required. The amount of water can be influenced in which the controller 12 adjusts the assigned pump 13 or the nozzles 5, 8. in the The result is that the combustion air flow between compressor 1 and combustion chamber 2 into a primary combustion air stream and into a secondary combustion air stream is divided, whereby the water is only added to the primary combustion air flow, namely in the form of liquid water and / or in the form of water vapor and in one Amount that can be used without difficulty on the minimal content of nitrogen oxides in the Gas turbine exhaust gases can be adjusted.

Claims

Claims.

Ö. Method for operating a gas turbine system with a compressor and Combustion chamber, the combustion chamber for primary combustion air supply and secondary combustion air supply is set up and the combustion air is water to reduce nitrogen oxides it is added that the combustion air flow is added between the compressor and the combustion chamber in a primary combustion air stream and in split a secondary combustion airflow and only the primary combustion airflow the water is added in the form of liquid water and / or water vapor.

2. The method according to claim 1, characterized in that the primary combustion air flow with the added water before introduction into the combustion chamber of a preheating (im Heat exchange with gas turbine exhaust gases) is subjected.

3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that that the preheated primary combustion air stream is again mixed with water and then is preheated again.

4. Plant for performing the method according to claims 1 to 3, - with compressor and combustion chamber as well as combustion air duct system between Compressor and combustion chamber, characterized in that the combustion air line system a primary combustion air line (3) and a secondary combustion air line (4) and in the primary combustion air line (3) nozzles (5) for introducing water are arranged.

5. Plant according to claim 4, characterized in that the primary combustion air line (3) in the direction of flow behind the nozzles (4) for introducing water, a heat exchanger (6), which is connected on the heat side to the gas turbine system and through the sensible heat of the gas turbine exhaust gases (7) is heated.

6. Plant according to claims 4 and 5, characterized in that the primary combustion air line (3) downstream of the heat exchanger in the direction of flow (6) further nozzles (8) for introducing water and possibly a further heat exchanger (9).

7. Plant according to claims 4 to 6, characterized in that the nozzles (5, 8) for introducing water into the primary combustion air line (3) are integrated into a control circuit (10), which acts as an actual value transmitter in the primary combustion air line (3) arranged temperature sensor (11).

L e r s e i t e