DE2354294A1 - Verschmutzungsfreie gasturbinenanlage - Google Patents
Verschmutzungsfreie gasturbinenanlageInfo
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- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
- F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
- F02C3/20—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products
- F02C3/24—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products the fuel or oxidant being liquid at standard temperature and pressure
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Description
235429*786
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
409824/0257
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 dazmt 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@liens 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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_ 11 -
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 aufgelösts 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
..... - --· 4 09 8247 025 7
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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8AD ORfQlNAL
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 (1)
- 235429A- 17 -Pat entansprücheEinrichtung 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 wenigerals 650°0 halten.4Q9824/02573. 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.409824X04^57
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