DE2354294A1

DE2354294A1 - Verschmutzungsfreie gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE2354294A1
Application number: DE19732354294
Authority: DE
Inventors: Roy N Lucas
Original assignee: Petrolite Corp
Current assignee: Baker Petrolite LLC
Priority date: 1972-12-07
Filing date: 1973-10-25
Publication date: 1974-06-12
Also published as: GB1407173A; FR2209893A1; US3808795A; IT994841B; JPS4986707A; CA975183A; FR2209893B3

Description

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PATENTANWÄLTE ;'"£· ^c> ■■·■■■· F.Uc^

CERLlN 33

Petrolite Corporation, St. Louis / Missouri (V,St«v,A.)

Verschämt zungsfreie Gasturbinenanlage

Di© Erfindung betrifft eine Einrichtung aum Betreiben einer Gasturbine mit einem ein Alkalimetallsalz enthaltenden unbehandelten Ol und insbesondere die verschmutzungsfreie Beseitigung des salzhaltigen Abflusswassers, das bei der Reinigung des Rohöle zu einem Brennstoff anfällt.

Gasturbinen werden weitgehend als Kraftquelle mit einem verhältnismäßig hohen Wirkungsgrad wegen des viel einfacheren Auf baue im Vergleich zu Dampfmaschinen und zu Brennkraftmotoren verwendet · Gasturbinen sind verhältnismäßig klein und leicht, benötigen kein Kühlwasser, können ohne Aufsicht betrieben und von selbsttätigen Steuereinrichtungen ferngesteuert werden. Als weitere Vorzüge sind anzusehen, dass Gasturbinen rasch in Betrieb und außer Betrieb gesetzt werden können, sie arbeiten mit geringerer Luftverschmutzung (HQ₂I SO,, Partikel usw.) als andere Antriebsmotoren, erfordern weniger Wartungs- und Stillstandskosten und weisen eine lange Lebensdauer bei kontinuierlichem oder intermittierendem Betrieb auf.

ORKaMAL INSPECTED

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Ant häufigsten werden Gasturbinen für den Antrieb von Strahlflugzeugen verwendet und sind daher.weitgehend bekannt geworden.. Gasturbinen können jedoch auch auf vielen anderen Gebieten verwendet werden, und der Einsatz von Gasturbinen in ortsfesten Anlagen hat in den vergangenen zwanzig Jahren stark' zugenommen. In solchen Anlagen werden Gasturbinen mit einer Leistung von ■ 50 bis fast 50.000 PS benutzt· In Elektrizitätswerken wird ungefähr die Hälfte der großen Industrieanlagen mit Gasturbinen verwendet und zwar in der Hauptsache fux Spitzenbelastungen, da die Turbinen für den Anschluss an selbsttätige Fernsteueranlagen gut geeignet sind. Dies gilt besonders dazm_t wenn, zusätzliche elektrische Leistung rascher benötigt wird, ale mit den erhömmlichen ortsfesten Dampferzeugungsanlagen geliefert werden kann. Gasturbinen können weiterhin als Antriebsaotoxen für Kompressoren zum Fördern von Gas durch eine Rohrleitung benutzt werden. Ferner können Gasturbinen für den Antrieb von Bisenbahnzugmaschinen, Wasserfahrzeugen und als Antriebsmotoren, in der Petroleum- und Stahlindustrie verwendet werden.

Der Kraftstoff, für Gasturbinen^ die nicht in der Luftfahrt verwendet werden, bestand ursprünglich, aus Naturgas, wobei auch andere gasförmige Kraftstoffe verwendet werden können, die schmutzfrei abbrennen und nicht korrodierend sind. Jedoch stehen gasförmige Kraftstoffe (Naturgas usw.) für gewerbliche Zwecke nicht immer zur Verfügung. Seit 1952 wurden bei der Verwendung von flüssigen Kraftstoffen für Gasturbinen große Fortschritte erzielt. Eine der ersten derartigen Anlagen, bestand aus einer mit Rohöl betriebenen !Turbine in einer ölpuopstation. Für den Betrieb von Gasturbinen wurden noch andere Kraftstoffe verwendet, u.a. Destillate, Rohöl, Bohölprodukte und Rückstandsöle. Eine Gasturbinenanlage wurde mit Kreosotpech als Kraftstoff betrieben. Ganz gleich, welche Flüssigkeit verwendet wird, so müssen gewisse Vorschriften beachtet werden, damit die Gasturbine durch Korrosion und Ablagerungen nicht beschädigt wird. Bei flüssigen Kohlenwasserstoff kraftstoff en, wie Rohöl, Destillate und Mickstände des Rohöls, werden im allgemeinen Grenzwerte für den fiatrium- und Vanadiumionengehalt vorgeschrieben. Biese beiden Materialien können nur in Mengen bis zu einigen Teilen pro Million zugelassen werden,

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da anderenfalls die Gefahr einer Korrosion, Verstopfung und Ablagerungen bei erhöhten Temperaturen besteht. Diese Stoffe erzeugen bei der Verbrennung Natriumsulfat, Natriumvanadinit und Vanadiumpentoxid, welche Substanzen schon bei Temperaturen von 620⁰O halbgeschmolzen und korrodierend sind. Her korrodierende Angriff dieser Substanzen führt zu eimer Katastrophe bei höheren Temperaturen, die normalerweise bei dem Betrieb von Gasturbinen auftreten. Werden Gasturbinen mit niedrigeren Brenntemperaturen betrieben, so erfolgt eine wesentliche Herabsetzung der Leistung und des Wirkungsgrades·

Es wurden Zusätze für flüssige Kraftstoffe gefunden, die einen Angriff des Vanadiums auf die Metallflächen der Gasturbine bei erhöhten Temperaturen verhindern. Bern flüssigen Kraftstoff wird üblicherweise Magnesiumion (Magnesiumsulfat) in kleinen Mengen zugesetzt, um die unerwünschten Wirkungen der Vanadiumsubstanzen in der Gasturbine zu verhindern* Es wurde bisher noch kein Zusatzmaterial gefunden, mit dem die Schaden verhindert werden können, die bei dem - Verbrennen von natriumhalt igen f lüssigen Kraftstoffen bei den in der Industrie verwendeten Gasturbinen temperatur en im Bereich von ungefähr 760 - 870⁰C auftreten.

Die Natriumionen enthaltenden flüssigen Kohlenwasserstoffkraftstoffe können nach einem Verfahren behandelt werden, das dem Entsalzen von Rohöl in Haffinerien ähnlich ist. Das Natriumionenmaterial kann im flüssigen Kraftstoff als latriumnaphthat, als Salzwasser, als Satriumchloridkristalle oder als andere Alkalimetallsalze vorhanden sein« Biese Hatriumionenmaterialien können entfernt werden durch Zusetzen von Frischwasser zum öl und durch nafolgendes Vermischen unter Bildung einer Wasser-in-Öl-Emultion. Die Emultion wird dann aufgelöst durch Absetzen, Schleudern oder durch Entsalzen in einem elektrischen Feld, wobei der Natriumgehalt auf einen zulässigen Pegel herabgesetzt wird· Nachdem der behandelte flüssige Kraftstoff erhalten worden ist, muss dieser geschützt werden gegen eine spätere Verunreinigung durch Nationionen während des Transportes oder während des Aufspeicherns für den späteren, Gebrauch als Kraftstoff für die Gasturbine. Alle Speichertanks müssen rein und frei von NatriumionenEiibstanzen gehalten werden,

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so dass das behandelte öl nicht verunreinigt wird.

In Ölraffinerien wurden seit 1957 elektrische Entsalzungsvorrichtungen (Petreco - E.T.U.) verwendet zum Herabsetzen des Salzgehaltes von Rohölen auf Werte von einigen Teilen pro eine million Teilen. Diesen elektrischen Entsalzungsvorrichtungen wurde eine Emulsion aus fein dispergiertem Frischwasser im Rohöl zugeführt. In einem elektrischen Feld wird die Emulsion in eine entsalzte Rohölphase und in Abflusswasser aufgelöst, das die herausgezogenen salztragenden Materialien mitführt. Bas elektrische . Entsalzen kann in einer oder in mehreren Entsalzungsvorrichtungen durchgeführt werden oder in einem einzelnen Behälter, der zwei elektrische Entsalzungsstufen enthält, die in einer vollständig integrierten Anlage in der Ölraffinerie vorgesehen werden können.

Durch Behandlung in einer Raffinerie kann ein entsalztes Rohöl erzeugt und als reiner flüssiger Kraftstoff für eine Turbine verwendet werden. Jede spätere Wiederverunreinigung durch iJatriumionenmaterialien machen jedoch die Kraftstoffe nicht verwendungsfähig. Bei einer Anlage mit einer Gasturbine als Antriebsmotor für eine Rohölrohrleitung müsste ein besonderer Speichertank für den in einer Raffinerie entsalzten Kohlenwasserstoff vorgesehen werden, der als flüssiger Kraftstoff für die Gasturbine verwendet werden soll.

Bei anderen Anlagen, in denen ein behandelter Kraftstoff für Lokomotiven hergestellt wird, würde die kleinere Menge des verbrauchten Kraftstoffes eine komplizierte Anlage mit elektrischen Entsalzungsvorrichtungen nicht rechtfertigen. Andererseits würde die Menge des von der Gasturbine verbrauchten flüssigen Kraftstoffes in solchen Inlagen außergewöhnlich große Speichertanks für den entsalzten flüssigen Kraftstoff erfordern·

Kleine elektrische Behandlungsvorrichtung·]! zum Auflösen von Emulsionen sind seit mehreren Jahren im Handel erhältlich und als chemoelektrische Dehydratoren (R.T.U.) bekannt. Bei der Aufstellung des Dehydrators am Verwendungsort werden ausreichende selbsttätige Einrichtungen vorgesehen, so dass der Dehydrator ohne Aufsicht betrieben werden kann. Hierdurch ist es möglich

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geworden, selbsttätig arbeitende Einrichtungen zum Erzeugen von Rohöl nach den Vorschriften für Ölleitungen vorzusehen. Zu diesem Zweck wird die Rohölemulsion dehydriert unter Einwirkung eines elektrischen' Feldes auf einen Restwassergehalt von 3 Vol,% oder weniger. Der Dehydrator kann benutzt werden zum Entsalzen des Rohöls durch Zusetzen von 5 bis 15 Vol.% Frischwasser zum einströmenden Rohöl· In einigen Fällen weist das entsalzte (behandelte) Öl einen Restwassergehalt von 0,5 Vol.% auf. Der Salzgehalt des Rohöls kann in einem einzigen Dehydrator von 4,54- kg pro 159.000 Liter öl auf weniger als 0,454 kg pro 159.000 Liter herabgesetzt werden» Mit einer elektrischen Entaslzung kann in einer integrierten Anlage am Verwendungsort eine wesentliche Menge Öl behandelt und als flüssiger Kraftstoff für eine Gasturbine benutzt werden.

Das vom Dehydrator entfernte Wasser hat natürlich einen hohen Salzgehalt , dessen Höhe vom Salzgehalt des Rohöls abhängt· Bei der Herabsetzung des Salzgehaltes im Rohöl von 2,27 - 0,454 kg pro 159.000 Liter Rohöl unter Verwendung von 5 Vol.Jtf Frischwasser weist das aus dem Dehydrator abfließende Wasser einen Salzgehalt von ungefähr 45,4 kg pro 159.000 Liter auf» Dieses Salzwasser kann nicht in öffentliche Gewässer abgelassen werden. Dieses stark salzhaltige Wasser kann mit verhältnismäßig hohen Kosten behandelt werden, wobei der Salzgehalt so weit herabgesetzt wird, dass-das. restlich® Wasser in ©£f©atlieh@ Gewässer abgelassen werden' kann» Di© Behandlungskosten 'für solch® Zweck© Tfe©®inträchtigea den großes Mutzen ©iaer Erzeugung, won flüssig®^ Kraftstoff für Gasturbinen am Aufstellungsort*

Dar ilrfindMsg liegt ύ±® Aufgab© zugsund©» ©ias Eia^ieiitung ®n se&aff®n_$ mit &©? ®±n® Gasturbine v@rseta«tguag^fe©i Bit flüs» ■ sig©a und «nbehaadeltea öl betrieben werden kana₉ das ein Alkali» a©tallsals enthält. Bin besonderes -Merkmal der Jrfindmag ist in fior ir©gt©ia£reien Beseitigung des salzhaltigen Wassers aus eineis ,- ©!©irdischen Dehydrator okne UmweltveTschmtttsmng zu s@lien_s wofeei di© Forsüg© der Gasturbine dadurch beeinträchtigt würden, dass (1) sichtbare Abgas® ausgestoßen werden, daas (2) Kuhlwassermengen "benötigt $®rden, dass (3) thermische Usrweltsclurierig&eiten g@-

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schaffen werden , und dass (4) in den aus Metall bestehenden Abgasrohrleitungen eine unzulässige Korrosion auftritt. Die Erfindung erfordert weiterhin keine wesentlichen Änderungen bei der Ausrüstung oder erhöhte Betriebskosten in bezug auf die Gasturbinenanlage.

Die Erfindung sieht eine Einrichtung zum Betreiben einer Gasturbine in einem verschmutzungsfreien Zustand mit flüssigem unbehandelten Ol vor, das ein Alkalimetallsalz enthält. Die Einrichtung weist auf einen Behälter mit einem Emulsionseinlass, mit einem ölphasenauslass und mit einem Wasserphasenauslass. Im Behälter sind Elektroden angeordnet, die an eine äußere Spannungsquelle angeschlossen sind und ein elektrisches Feld zum Auflösen der Wasser-in-Ül-Emulsion in eine behandelte ölphase und in eine Ausflusswasserphase mit einem hohen Salzgehalt erzeugen. Das unbeJian&elte öl und frischwasser wird zu einer Mischeinrichtung geleitet, in der eine Emulsion erzeugt wird, die zum Behälter geleitet wird. Die Emulsion enthält das Öl als äußere Phase und dispergiertes Wasser als innere Phase. Die Gasturbine erhält die Phase des behandelten UIs als brennbarer Kraftstoff, der mit komprimierter Luft vermischt und zum Betreiben der Gasturbine verbr&imfc wird, wobei die heißen Verbrennungsgase durch einen Auslass in die Usgebungsluft mit Temperaturen von ungefähr 150 - 65O⁰C abgelassen werden. Einspritzmittel führen die stark

Ansflmsswasgg^pfeas© is d@n JkteXasskanal, in dem die «H© Ab£luss«ass@rstrSisung verdampfen, wobei insgesamt; ein© Gr&slGsung ©iuae sichtbare Bestandteil© bei Temperaturen erzeug* wird, bei d©r "&i© lat^xumionenmaterialien für die das eisenhaltige ketall d@r Ägasr-oferlei-feungen verhältnismäßig nicht korrodierend sind.

Die beiliegende einzige Zeiehraisg stellt eine Übersicht einer elektrischen SsfesalzungseinrieMHiig zusammen mit einer Gasturbinenanlage dar.

Die Zeichnung zeigt eine üaordaisag nach der Erfindung swecks Verwendung zusammen mit einer Gasturhise 11, die ©ine Kosapseseorstufe 12, eine Verbrennujagsstufe 13 mxd eine Surbineastuf® 14 aufweist. Die drehbaren Bauteile der Kompressor stufe 12 und der

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Turbinenstufe 14 sind durch, eine Antriebswelle 16- verbunden, "wobei eine Ausgangswelle 18 eine Belastung 1? antreibt· Die Belastung 17 kann aus Elektrogeneratoren, Pumpen oder aus anderen mechanischen und elektrischen Kraftverbrauchern bestehen· Die Belastung 17 besteht im allgemeinen aus einem Elektrogenerator. Die Gas- . turbine 11 besteht im allgemeinen aus einer offenen Gasturbine, wobei die Luft und die Verbrennungsprodukte nur einmal durch die Anlage geleitet werden. i)iese Ausführung weist den Vorzug einfacher bteuerorgane und einfacher Abdichtungen auf. Die Turbine kann daher für hohe Verhältnisse Ausgangsleistung : Gewicht ausgelegt werden, und kann ferner mit einigen wenigen Steuerorganen und ohne Kühlwasser betrieben werden. Die meisten solcher in einem Arbeitsgelänge aufgestellten Gasturbinen bestehen aus offenen Turbinen. Wenn gewünscht, kann ein Wärmeaustauscher 19 vorgesehen werden, in dem die Temperatur der durch die Verbrennuhgsstufe 13 geleiteten komprimierten Luft erhöht wird· Der Wärmeaustauscher 19 .überträgt die Hitze aus dem Turbinenauslass 21 auf die einströmende komprimierte Luft am Auslass 22 der Kompressorstufe 12 stromauf von der Verbrennungsstufe 13·, In einigen Fällen wird ein Wärmeaustauscher 19 nicht benötigt. Mrd ein Wärmeaustauscher 19 vorgesehen, so muss dieser verhältnismäßig widerstandsfest sein für verhältnismäßig hohe TemperaturSchwankungen, wenn die Gasturbine in Betrieb gesetzt wird, und außerdem bei den komprimierten Gasen, die vom Auslass 22 zur Brennstufe 13 strömen, einen verhältnismäßig geringen Druckabfall bewirken.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, ist die soweit beschriebene Anordnung für die Gasturbine 11 die herkömmliche, an der verschiedene Änderungen vorgenommen werden können. Der Gasturbine 11 wird der flüssige Kraftstoff durch einen Ein-, lass 15 zugeführt und zur Brennstufe 13 geleitet. Durch eine Luftleitung 24 wird Luft eingelassen und durch ein· geeignete Pumpe 26 geleitet, die den gewünschten Mnlassdruck für die Kompressorstufe 12 erzeugt. Die in den Einlass 23 einströmende Luft weist

ρ im allgemeinen einen Druck von 10,5 kg/cm oder höher auf. Bei den meisten Anlagen wird die Menge der durch den. Lufteinlass 24 einströmenden Luft verhältnismäßig konstant gehalten, wobei die

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Arbeit der Gasturbine 11 von der Lenge des flüssigen Kraftstoffes bestimmt wird, der in den Einlass 15 einströmt·

Bei der besonderen Einrichtung nach, der Erfindung wird der flüssige Kraftstoff aus einer elektrischen Behandlungseinrichtung 31 erhalten, der durch, eine Einlassleitung 32 ein unbehandeltes öl zugeführt wird, das mit einer kleinen Menge Frischwasser vermischt wird, das durch die Einlassleitung 33 zugeführt wird. Das resultierende Flüssigkeitsgemisch wird durch' ein Mischventil 34 geleitet, das bei den einströmenden Flüssigkeiten einen geeigneten Druckabfall erzeugt, so dass das Frischwasser im unbehandelten ül dispergiert wird. In der elektrischen Behandlungseinrichtung 31 wird unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes die resultierende Emulsion in eine Pgase behandelten Öls getrennt, die durch die Auslassleitung 36 entfernt und dann durch eine Verbindungsleitung 37 zum Einlass 15 der Brennstufe 13 der Gasturbine geleitet wird. In die Rohrleitung 37 kann eine Hochdruckspeisepumpe eingeschaltet werden· Die abgeschiedene Wasserphase aus der elektrischen Behandlungseinrichtung 31 wird als Abflusswasser durch einen Auslass 38 entfernt, in dem die Strömung von einem Motorsteuerventil 39 reguliert wird, das von einem Schwimmer 41 über eine Verbindung betätigt wird, die durch die unterbrochene Linie 42 dargestellt ist. Der Schwimmer 41 ermittelt die Öl-Wasser-Zwischenfläche 43 in der elektrischen Behandlungseinrichtung 31 und reguliert die Strömung des Abflusswassers, so dass die genannte Zwischenfläche in einer verhältnismäßig konstanten Höhe gehalten wird.

Die elektrische Behandlungseinrichtung 31 ist so eingerichtet, dass sie Wasser-in-Öl-Emulsionen oder Dispersionen elektrisch auflösen kann. In vielen Fällen wird nur eine elektrische Behandlungs einrichtung 31 zum Erzeugen der Strömung behandelten Öls für die Gasturbine 11 verwendet. Wenn gewünscht, können jedoch auch zwei oder mehr solcher Einrichtungen in Parallelanordnung benutzt werden. Die Reihen- oder Parallelströmungen in elektrischen Behandlungseinrichtungen sind bei Raffinerien bekannt und können auch, für die vorliegende Erfindung "benutzt werden. In der elektrischen Behandlungseinrichtung 31 bewirkt ein elektrisches

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feld eine elektrische Auflösung der Wasser_in-Öl-Emulsion in die getrennten Phasen behandeltes Ul und Ausflusswasser. Bas elektrische. Feld 46-in der 'Behandlungseinrichtung 31 befindet sich in einem Metallbehälter 47, der widerstandsfest für die Betriebsdrücke ist. Im Behälter 47 wird ein Druck aufrechterhalten, bei dem sämtliche Bauteile sich in der flüssigen Phase im .elektrischen Feld befinden.

Sas elektrische Feld 46 in der Behandlungseinrichtung 31 kann durch eine geeignete Anordnung erzeugt werden· Zu diesen Zweck können beispielsweise poröse ebene Elektroden 49 und 53 mit einem Abstand von ungefähr 7»6 bis 27»9 cm von einander vorgesehen werden. Sie an diese Elektroden angelegte elektrische Spannung erzeugt ein elektrisches Feld mit einem Spannungsgefälle von ungefähr 200 bis 4000 Volt pro cm. Sas Spannungsgefälle oder die angelegte Spannung in der Behandlungseinrichtung 31 ist nicht kritisch.

In der Behandlungseinrichtung 31 ist ein Verteiler 48 angeordnet, der die Emulsion aus dem Mischventil 34 direkt in den Behälter 47 leitet. Sie Emulsion strömt durch die Zwischenfläche 43 hindurch und gelangt in das elektrische Feld 46, das von einer Elektrode 49 erzeugt wird, die von den Isolatoren 51 und 52 vom Behälter 47. isoliert gehalten wird. Sie obere Grenze des elektrischen Feldes 46 wird von einer geerdeten Elektrode 53 bestimmt. Sie Elektrode 49 erhält eine Spannung aus einer geeigneten Spannungsquelle· Diese Spannungsquelle kann aus einem !Transformator 54 bestehen, der über die Leiter 56 mit einer Spannung von beispielsweise 440 Volt Wechselspannung Versorgt wird. Ser Transformator 54 erzeugt eine Hochspannung (in bezug auf den Behälter 47), die durch einen isolierten Ausgangsleiter 57 zugeführt wird, der durch eine Einführungsbuchse'58 an der Seitenwandung des Behälters 47 hindurchgeführt ist. Sie Spannung wird dann über einen biegsamen Leiter 59 zur Elektrode 49 geleitet. Wenn gewünscht, können zum Erregen der Elektrode 49 auch ander· Anordnungen und Mittel vorgesehen werden. Sie Elektroden 49 und 53 bestehen vorzugsweise aus waagerecht angeordneten durchbrochenen oder porösen Elektroden, die im wesentlichen über die gesamte

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Längserstreckung des Behälters verlaufen· Bei dieser Anordnung wird mit Sicherheit eine höchst wirksame Auflösung der Dispersion in eine Phase behandeltes Öl und Aueflusswasser bewirkt*

Das unbeliandelte Öl wird aus der Quelle unter Druck zum Einlass 32 befördert und üblicherweise erhitzt, um die elektrische Auflösung der Emulsion su fördern, die aus dem Verteiler in den Behälter 4-7 eingelassen wird. Me Temperatur des Gemisches aus unbehandeltem öl und Wasser beträgt vorzugsweise ungefähr 65°0» (oder auch höher) bevor das Gemisch in die elektrische Behandlungseinrichtung 31 eingelassen wird. Die erhöhten (Temperaturen erleichtern das Entfernen, des Batriumionenmaterials und der Feststoffe aus dem unbehandelten. Ul in der Behandlungseinrichtung 31·

Sas unbehandelte Ul kann aus Rohöl oder Ronölprodukten, wie Destillate und Rückstände, bestehen* Kit dem Ausdruck "unbehandeltes öl" soll ein Öl bezeichnet werden, das eine³¹ so hohen Gehalt an Alkaliaetallsalzen aufweist (wie natriumchlorid oder andere Fatriunionen enthaltenden Materialien) ₉ dass dieses öl als Kraftstoff , besonders für Gasturbinen, ungeeignet ist« In der elektrischen Behandlungseinrichtung 51 wird der fiatriumionengehalt des unbehandelten Öls auf üblicherweise weniger als 0,5 VoI·% herabgesetzt · In der erfindungsgemäßen Einrichtung wird das unbehandelte Ol so behandelt, dass ein flüssiger'Kraftstoff erzeugt wird, der sich besonders gut für die Gasturbine 11 eignet. In vielen Fällen wird in der elektrischen Behandlungseinrichtung 31 ein brennbarer flüssiger Kraftstoff erzeugt, der Uatriumionen in einer Menge von ungefähr 2 Seilen pro 1.000·000 Teilen und Restwasser in einer kenge von ungefähr 0,1 Vol.# enthält« Die Funktion der elektrischen Behandlungseixirichtung 31 bei der Auflösung der Emulsion aus unbehandeltem Öl und Frischwasser kann offenbar als "Entsalzen" bezeichnet werden, welcher Ausdruck in der Technik der Raffinerien allgemein, für das Entfernen von Salzen aus Rohöl gebraucht wird· Mit "Entsalzen" soll in der vorliegenden Beschreibung auch die Behandlung von Rohöl durch Beimischen von Frischwasser zwecks Bildung einer Emulsion mit einer kontinuierlichen Ölphase und die nachfolgende elektrische Auflösung der

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iDmulsion in eine Phase "behandeltes öl und Ausflusswasser bezeichnet werden, wobei das Abflusswasser das entfernte Natriumionenmaterial «und nasse Feststoffe abführt.

Das durch den Auslass 38 aus der elektrischen Behandlungseinrichtung 31 ausströmende Abflusswasser enthält wesentliche Mengen Natriumionen (Alkalimetallsalze) und veränderliche Mengen Feststoffe. Der Natriumionengehalt hängt von der Menge des Frischwassers ab, das dem unbehandelten Ul zwecks Bildung einer Emulsion beigemischt wird, die in die Behandlungseinrichtung 31 eingelassen wird, iiit dem Ausdruck "Frischwasser" soll jedes Wasser bezeichnet werden, das so geringe Mengen Natriumionen enthalt, dass es mit dem unbehandelten Öl unter Bildung einer Emulsion vermischt werden kann, die bei einer elektrischen Auflösung zu einer Phase behandelten Öls mit dem erwünschten herabgesetzten Natriumionengehalt führt. Das Frischwasser besteht im allgemeinen aus städtischem Leitungswasser oder aus Flusswasser usw.

Das Abflusswasser führt die entfernten Natriumionenmaterialien (Alkalimetallsalze) in Mengen mit, die direkt proportional derjenigen Mengen sind, die aus dem Öl entfernt worden sind. Dem unbehandelten Öl wird beispielsweise Frischwasser in Mengen von ungefähr 5 bis 15 Vol.% zugesetzt. Der Salzgehalt des Abflusswassers kann daher bis zum Zwanzigfachen der Menge· des im unbehandelten öl enthaltenen Salzes betragen· Beispielsweise kann das unbehandelte Öl einen Natriumionengehalt von 10/1.000.000 Teilen aufweisen und wird mit 5 VoI.% Frischwasser vermischt. Wird in der elektrischen Behandlungseinrichtung der Natriumionengehalt auf 1/1.000.000 Teilen in der Strömung des. behandelten öle durch den Einlass 23 der Turbinenstufe 14- herabgesetzt, dass weist das durch den Auslass 38 abfließende Wasser einen Natriumionengehalt von 180/1.000,000 Teilen auf. Dieses natriumionenhaltige Abflusswasser kann nicht direkt in die städtischen Abwasserkanäle geleitet werden, da es im wesentlichen aus einer stark konzentrierten Sole besteht, die zu einer starken Verunreinigung der städtischen wasserversorgung führt. Die Erfindung sieht daher eine Möglichkeit zum Beseitigen dieses stark salzhaltigen Abwassers vor.

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Das behandelte Ol in der Rohrleitung 57 wird mit dem erwünschten Druck und in der gewünschten kenge von einer Speisepumpe 44 zum üiinlass 15 befördert, kit Hilfe eines Reglers 45 wird die Leistung der lumpe 44 und damit die Leistung der G-asturbine 11 eingestellt, die der Last 17 zugeführt wird, va die Luftversorgung am Einlass 24 auf einem konstanten vVert gehalten wird, so bestimmt die Lenge des von der Pumpe 44 in die Brennstufe 15 beförderte behandelte öl die Ausgangsleistung der Gasturbine 11 für die Last 17· In vielen Fällen strömen die Verbreimungsgase aus dem Auslass 21 direkt in das Abgasrohr 27 und werden in die Umgebungsluft abgeführt. Me Zusammensetzung dieser Verbrennungsgase ermöglicht eine Abführung direkt in die Umgebungsluft ohne Rauchentwicklung und ohne wesentliche Luftverschmutzung.

Eine Funktion der Ausgangsleistung der Grasturbine 11 ist die Temperatur der Verbre^nungsgase, die aus dem Auslass 21 der Turbinenstufe 14 ausströmen» Die Temperatur der Verbrennungsgase im Abführungsrohr 27 stellt eine direkte Anzeige der Ausgangsleistung der Gasturbine 11 dar, die der Last oder dem Verbraucher 17 zugeführt wird. Die Temperatur dieser Gase kann daher von einem Wärmedetektor 28 ermittelt werden, der ein Ausgangssignal erzeugt, das über die mit unterbrochenen Linien gezeichneten Leitungen 29a und 29b dem Regler 45 zum Regeln der pumpe 44 zugeführt wird. Beispielsweise bewirkt eine erhöhte Belastung der Turbine 11 ein Absinken der Temperatur der Abgase im Auslassrohr 27· Der Detektor 28 führt daher dem Regler 45 ein bignal zu, das eine Erhöhung der von der Pumpe 44 in der Rohrleitung 37 zum Einlass 15 geförderten kenge behandelten Öls bewirkt. Im allgemeinen soll die Temperatur der Abgase, die zum Abgasrohr 27 geleitet werden, weniger als 540 0 betragen, um die metallischen Teile der Turbinenstufe 14 gegen eine Zerstörung durch restliche Salze zu schützen, und um ferner Ablagerungen geschmolzener Vanadiumoxidmaterialien zu vermeiden. Wenn gewünscht, kann durch Zusetzen eines kagnesiumioneninhibitormaterials eine Vanadiumoxidglasierung der Turbinenstufe 14 verhindert werden· Diese Zusätze strömen durch eine Rohrleitung 30, in der eine Pumpe angeordnet ist, die die Zusätze direkt in das behandelte

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Öl pumpt, das in der Rohrleitung 37 zur Brennstufe 13 strömt. Die Temperatur der Abgase im .abgasrohr 27 soll vom Regler 45 so geregelt werden, dass sie niemals unter 15ü°0 absinkt, welche Temperatur den Taupunkt der Schwefelsäure bei im wesentlichen atmosphärischen Druck darstellt. Niedrigere Temperaturen der Vei"brennungsgase können zu einer starken Korrosion metallischer Bauteile führen.

Im normalen Betrieb der Gasturbine 11 weisen die Abgase im Abgasrohr 27 Temperaturen zwischen 4-30 und 650⁰O auf. Außerdem führt die konstante Menge der in den Einlass 24 eingelassenen Luft für eine kleine Menge flüssigen Kraftstoffes zu 'Verbrennungsgasen, deren Masse mehrere hundertmal so groß ist wie die Masse des Abflusswassers aus der elektrischen Behandlungseinrichtung 31. Infolgedessen wird der Wärmegehalt der Verbrennungsgase im Abgasrohr 27 zum Beseitigen des salzhaltigen Abflusswassers benutzt. Das Abflusswasser wird als feiner Sprühstrahl in die heiße Strömung der Abgase im Abgasrohr eingeführt, vollständig verdampft, dispergiert und in den Abgasen aufgelöst_s wobei insgesamt eine Gaslösung ohne sichtbare Bestandteile und bei Temperaturen erzeugt wird, bei der die Alkalimetallsalse für das eisenhaltige Material des Abgasrohres 27 verhältnismäßig nicht korrodierend sind. Zu diesem Zweck wird das Abflusswasser aus dem Regelventil 39 in einen Speichertank 61 geleitete Das Abflusswasser strömt dann durch eine Hoiirleitung 62 und wird von einer Pumpe 63 in einen Injektor 64 gepumpt, der im Abgasrohr angeordnet ist und das Äbflusswasser direkt ia die.Strömung der heißen Abgas® einspritzt. In vielen Fällen braucht ein Speichertank 61 nicht erforderlich zu sein. JSs ist jedoch irorguziehen, in der Rohrleitung 62 einen Speichertank 61 anzuordnen, .damit zu keiner Zeit das Abflusswasser die Einspritzdüse 64 in Mengen erreicht j die größer sind als diejenigen Mengen, die von den Abgasen vollständig aufgelöst werden können«

Der Speichertank 61 weist mehrere Vorzüge auf₀ Der Tank 61 bewirkt einerseits eine gleichmäßige Konzentration d©s Abflusswassers in "bezug auf das extrahierte Alkalimetallsalz innerhalb einer verhältnismäßig längeren Strömungsperiod© als bei einer

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direkten Strömung aus der elektrischen Behandlungbeinrichtung zur Einspritzdüse 64·· Außerdem kann im öpeichertank 61 Abflusswässer in ausreichenden Lengen während derjenigen Perioden gespeichert werden, in denen die elektrische Behandlungseinrichtung 31 so wirksam arbeitet, dass die Fähigkeiten der .einspritzdüse 64 im Abgasrohr 27 überschritten werden, oder es wird ein Vorrät an Abflusswasser gebildet, der im Abgasrohr 27 verdampft werden kann, wenn die elektrische Behandlungseinrichtung 31 nicht in Betrieb ist·

Die Leistung der Pumpe 63 wird von einem Regler 66 geregelt, der ein Signal aus einem Massenfühler 67 in der Strömung der Abgase zwischen dem Auslass 21 der Turbinenstufe 14 und dem Einlassende des Abgasrohres 27 empfängt. Das Signal aus dem Fühler 67 wird dem Kegler 66 zugeführt, wie in der Zeichnung durch eine unterbrochene Linie dargestellt ist« Der Regler 66 empfangt das Signal 68 und betreibt die Pumpe 63 derart, dass der Einspritzdüse 64 das Abflusswasser nur in solchen Mengen zugeführt wird, dass das Massenverhältnis der Abgase zum Abflusswasser genügend latente Wärme zum vollständigen Verdampfen der Abflusswasserströmiing und zur Bildung der ge?mnschten Gaslösung enthält. Im allgemeinen ist ein Massenverhältnis der Abgase in bezug auf das Abflusswasser im Bereich von mindestens 200:1 und mehr für die erfindungsgemäße Anlage ausreichende Außerdem kann der Massenströmungssensor 67 aait Hilf® des Signals 68 den Regler 66 und die Pmape 63 so beeinflussen, dass in das Abgasrohr 27 Abflusswasser niemals in Mengen eiageführt wird, die außerhalb der vorgeschriebenen Mengen liegen.

Sollte die Temperatur der Abgas© im Abgasronr 27 über ungefähr 650°0 hinaus ansteigen, so könnt® die Verdampfung des Abflusswassers eine korrodierende Atmosphäre erzeugen, wobei das Alkalimetallsalz aus Wasserstoff Chlorid bestellt und das Metall angreift, aus dem das Abgasrohr 27 besteht« Zu diesem Zweck kana die Abgasleitung 21 der Turbinenstufe 14 durch, den Wärmeaustauscher geleitet werden, wobei das Abgas dieses in regulierten Lengen durchströmt, so dass die Temperatur der Abgase im Abgasrohr 27 immer unterhalb von 650° C liegt· Zu diesem Zweck ist in der

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Kückleitung 71 zwischen dem Wärmeaustauscher 19 und dem Einlass des iVb^asrohres 27 ein i»otorsteuerventil 69 angeordnet. Dieses Ventil kann von einem Signal 29a aus dem Temperaturfühler 28 betätigt werden, der am Abgasrohr 27 angebracht ist» Die Temperatur iia Abgasrohr 27 wird daher von dem Temperatursignal -aus dem Temjjeraturfühler 28 geregelt und zwar entweder durch Steuerung der Pumpe 44-für das behandelte Öl oder durch Betätigen des Motorsteuerventils b9 in der durch den Wärmeaustauscher 19 verlaufenden Lberströmleitun 21..

Der Injektor 64 kann aus jeder geeigneten Ausführungbestehen, besteht jedoch vorzugsweise aus einem mechanischen Zerstäuber. Der Injektor 64 kann aus einem Druckzerstäuber bestehen, wobei das übflusswasser durch tangential verlaufende Schlitze gepresst wird, die eine Drehbewegung vex'ursachen, wonach das Wasser durch öffnungen getrieben wird, die die dünnen Abflusswasser strömungen als feine schräg verlaufende Sprühstrahlen in die im Abgasrohr nach oben strömenden Abgase leiten, nenn gewünscht, kann der Injektor 64 aus einem Rotationsbecherzerstäuber bestehen, oder es können zerstäubende !sättel, wie Dampf oder Luft, für diesen Zweck benutzt werden· " ■ -

Der kassensensor wird vorzugsweise so angeordnet, dass unter der Einwirkung des Reglers 66 das Ausflusswasser durch die Rohrleitung 62 dem Injektor 64 in solchen Lengen zugeführt wird, dass die kasse der Verbrennungsgase immer ungefähr das Sechshundertfache der Masse des Abflusswassers beträgt, das durch den Injektor 64 strömt. Unter diesen Umstanden soll die Temperatur der Verbreiuiungsgase imAbgasrohr auf 430 - 650°0 gehalten werden, damit die besten Ergebnisse erzielt werden, und weiterhin soll die Temperatur immer höher als 150 0 sein, um eine Κ,οη*- densation von Schwefelsäure an den Flächen des Abgasrohres 27 zu vermeiden«

Die Lasse der heißen Verbrennungsgase im Abgasrohr 27 ist so groß, dass das gesamte ITatriumionenmaterial im Abflusswasser in den Gasen vollständig aufgelöst wird. Alle suspendierten Peststoffe werden in dem großen Volumen der Abgase als mikroskopisch kleine Partikel dispergiert. Durch eine sehr einfache

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Berechnung kann ermittelt werden, dass unter den gegebenen Umständen der Anteil der Natrium!onen und dispergierten Partikel in den Verbrennungsgasen weniger als ein Teil pro eine Milliarde Teilen beträgt. Die Feststoffe weisen eine Größe im Bereich von Mikronen (oder weniger) auf und sind für das menschliche Auge nicht sichtbar. Diese Partikel sind ferner in den großen Massen der Verbrennungsgase so weitgehend fein dispergiert, dass deren Niederschlag in der Umgebung zu keinen Schwierigkeiten und zu keiner Landschaftsverschmutzung führt.

Mit der Erfindung wurde daher ein verschmutzungsfreies Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine mit einem flüssigen unbehandelten öl geschaffen, das ein Alkalimetallsalz enthält. Um mit Sicherheit eine ordnungsgemäße Dispersion des Abflusswassers in den Verbrennungsgasen im Abgasrohr 27 zu erreichen, können bei der Turbinenanlage 11 natürlich noch verschiedene andere Steuer- und Kontrollfunktionen vorgesehen werden. Solange diese* Dispersion unter den genannten Bedingungen erfolgt, so arbeitet die Anlage verschmutzungsfrei.

Mit der Erfindung wurde ferner eine Anlage zum Betreiben einer Gasturbine unter verschmutzuxtgsfreien Umständen mit einem flüssigen öl geschaffen, wobei zugleich das stark salzhaltige Abflusswasser aus einer elektrischen Behandlungseinrichtung für das öl beseitigt wird. Die erfindungsgemäße Anlage arbeitet bei den besten Betriebsbedingungen für Gasturbinen und ist besonders gut geeignet für einen automatischen Betrieb bei geringster Beaufsichtigung. Im Rahmen des Erfindungsgedankens können natürlich gewisse Änderungen Abwandlungen und iär Setzungen vorgenommen werden. Die Erfindung selbst wird daher nur durch die beiliegenden Patentansprüche abgegrenzt. '

Patentansprüche

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Claims

235429A

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Pat entansprüche

Einrichtung zum Betreiben einer Gasturbine unter verschmutzungsfreien Bedingungen mit einem ein Alkalimetallsalz enthaltenden flüssigen unbehandelten Öl, gekennzeichnet durch einen Behälter mit einem Emulsionseinlass, mit einem Auslass für die ölphase und mit einem Auslass für die Wasserphase, durch im Behälter angeordnete Elektroden, die von einer äußeren Spannungsquelle mit einer Spannung versorgt werden und ein elektrisches Feld zum Auflösen einer Wasser-in-öl-* Emulsion zu einer Phase behandelten Öls und zu einer Abflusswasserphase erzeugen, durch Mittel zum Zuführen von Strömen unbehandelten Öls und frischwasser zu einer Mischeinrichtung zum Erzeugen der Emulsion, die dem Emulsionseinlass am Behälter zugeführt wird, welche Emulsion das Cl als äußere Phase und das Frischwasser als innere Phase enthält, durch Mittel zum Weiterleiten der Phase behandelten Öls als brennbarer Kraftstoff zu einer Gasturbine, wobei der Kraftstoff mit komprimierter Luft vermischt und zum Betreiben der Gasturbine verbrannt wird, durch Mittel zum Entfernen der heißen Verbrennungsgase aus der Gasturbine und zum Ableiten der Verbrennungsgase durch ein Abgasrohr in die Umgebungsluft bei Temperaturen zwischen ungefähr 150 C und 650°0, durch ein Injektionsmittel zum Einführen der Abflusswasserphase in das Abgasrohr, wobei die Verbrennungsgase das Abflusswasser verdampfen und eine Gaslösung ohne sichtbare Bestandteile bei Temperaturen erzeugen, bei denen Natriumionenmaterialien für die das Abgasrohr bildenden eisenhaltigen Metallrohrleitungen verhältnismäßig nicht korrodierend wirken·

2· Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Regulierungsmittel, die der Gasturbine zugeordnet sind und die Temperatur der Verbrennungsgase im Abgasrohr auf weniger

als 650°0 halten.

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3. üünriehtung nach Anspruch 2, dadurch, gekennzeichnet, dass die Regulierungsmittel die Verbrennungsgase im Äbgasrohr auf !Temperaturen zwischen 430 und 650 C halten. -

4» Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regulierungsmittel das Gemisch aus der Phase behandelten UIs und Luft, das der Gasturbine in einem offenen Strömungskreislauf zugeführt wird, derart regulieren, dass die Temperatur derVerbrennungsgase-im Abgasrohr auf eine unterhalb von 650°O liegende Temperatur gehalten wird.

5· Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regulierungsmittel die Wirkung eines Wärmeaustauschers regulieren,- der zwischen dem Gemisch aus behandeltem Ol und Luft, das der Gasturbine mit überatmosphärischem Druck zum Verbrennen zugeführt wird, lind den Verbresnungsgasen angeordnet ist, bevor diese in das Abgasrohr einströmen.

6· Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Injektormittel das Einführen der Abflusswasserphase in das Abgasrohr so regulieren, dass die Masse der Verbrennungsgase immer ungefähr das Sechshundertfache der Abflusswasserphase beträgt. .

7· Einrichtung nach. Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet, dass die Abflusswasserpnase aus dem genannten Benälter direkt in einen Speichertank geleitet und aus dieses τοη den Injektormitteln in regulierten Mengen versprüh* wird.

8« Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zuführenden Mittel die Frischwasserströmung zur löscheinrichtung so regulieren, dass die Mengen 5 - 15 VoI·% der Strömung des unbehandelten Öls betragen.

9· Hinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zuführenden Mittel die Irischwasserströmung zur Mischeinrichtung so regulieren, dass die Menge weniger als 10 Vol.% der Strömung des unbehandelten Öls beträgt.

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