DE3144675A1 - Method and device for the operation of a gas turbine - Google Patents
Method and device for the operation of a gas turbineInfo
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Abstract
Description
Verfahren und Vorrichtung zum Method and device for
Betrieb einer Gasturbine Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb einer Gasturbine durch Einleiten von Kohlestaub in eine verdichterluftbeschickte Brennkammer, Verbrennen des Kohlestaubs in der Brennkammer und Beaufschlagung der anzutreibenden Gasturbine durch direktes Zuleiten des durch die Kohlestaubverbrennung entstehenden Heißgases zu den Leit-und Laufschaufeln der Turbine. Operation of a Gas Turbine The invention relates to a method and a device for operating a gas turbine by introducing coal dust into it a combustion chamber fed with compressed air, burning the coal dust in the combustion chamber and acting on the gas turbine to be driven by directly feeding the through the hot gas resulting from the coal dust combustion to the guide and rotor blades Turbine.
Der Gedanke, eine Gasturbine mit Kohlestaub zu betreiben, gehört zum Stand der Technik. Es sind zwei Wege bekannt: Im ersten Fall wird der Kohlestaub in einem Brenner verbrannt.The idea of operating a gas turbine with pulverized coal is part of the State of the art. Two ways are known: In the first case, the coal dust is burned in a burner.
Das entstehende Heißgas erwärmt die Primärseite eines Wärmetauschers. An der Sekundärseite des Wärmetauschers befindet sich ein geschlossener Kreislauf eines Arbeitsmediums, das die Turbine antreibt.The resulting hot gas heats the primary side of a heat exchanger. There is a closed circuit on the secondary side of the heat exchanger a working medium that drives the turbine.
Die andere Möglichkeit besteht darin, mit Hilfe des Brenners direkt eine Gasturbine anzutreiben, indem das aus dem Brenner geleitete Heißgas die Leit- und Laufschaufeln der Gasturbine direkt beaufschlagt Beide Verfahren weisen beträchtliche Nachteile auf.The other option is to use the burner directly to drive a gas turbine by the hot gas discharged from the burner and blades of the gas turbine are acted upon directly Both procedures have considerable disadvantages.
Für den Prozeß mit dem geschlossenen Kreislauf ist ein Wärmetauscher erforderlich. Dieser beansprucht viel Platz, verursacht erhebliche Kosten und verschlechtert den Wirkungsgrad.A heat exchanger is used for the closed circuit process necessary. This takes up a lot of space, causes considerable costs and deteriorates the efficiency.
Wird entsprechend dem zweitgenannten Verfahren das durch Kohlestaubverbrennung erzeugte Heißgas direkt in eine Turbine eingeleitet, ergeben sich aus der Asche beträchtliche Probleme: die Asche ist in Form feinster Partikel im Heißgasstrom enthalten. Diese Partikel zerstören durch errosiven Angriff Leit- und Laufschaufeln der Turbine innerhalb kurzer Zeit.According to the second-mentioned method, this is done by burning coal dust The hot gas generated, fed directly into a turbine, emerges from the ashes considerable problems: the ash is in the form of very fine particles in the hot gas stream contain. These particles destroy guide vanes and rotor blades through erosive attack the turbine within a short time.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Betrieb einer Gasturbine der eingangs genannten Art, das bzw. die es gestattet, das durch Kohlestaubverbrennung erzeugte Heißgas direkt in eine Turbine derart einzuleiten, daß letztere vor einem errosiven Angriff weitgehend geschützt ist.The object of the invention is to create a method and a Device for operating a gas turbine of the type mentioned, that or the it allows the hot gas generated by the combustion of coal dust to flow directly into a turbine to be initiated in such a way that the latter is largely protected from an erosive attack is.
Celöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe nach einem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch, daß vor einer direkten Beaufschlagung der Gasturbine die Heißgas-Ascheteilchen aus dem Heißgas ausgefiltert werden.The problem on which the invention is based is achieved according to a Method according to the invention characterized in that prior to direct loading of the gas turbine the hot gas ash particles are filtered out of the hot gas.
Das Heißgas wird insbesondere einer Kurvenströmung ausgesetzt, wobei die schwereren Ascheteilchen aufgrund ihrer Trägheit oder Fliehkraft ausgefiltert werden.The hot gas is exposed in particular to a curving flow, with the heavier ash particles are filtered out due to their inertia or centrifugal force will.
Die Xurvenströmung kann eine winklige Ablenkung der Heißgasströmung sein.The x-curve flow can be an angular deflection of the hot gas flow be.
Insbesondere ist jedoch die Kurvenströmung eine Zirkularströmung, die im wesentlichen senkrecht zur Elauptrichtung der Heißgasströmung verläuft. Durch die Zirkularströmung werden infolge der Fliehkraft die vergleichsweise schweren Ascheteilchen radial nach außen separiert und umfangsmäßig abgeführt. Der Zentrumsbereich der Zirkularströmung enthält den reingefilterten Heißgasströmungsteil, der im wesentlichen in Richtung der Rotationsachse der Zirkularströmung der Gasturbine direkt zugeleitet wird.In particular, however, the curve flow is a circular flow, which are essentially perpendicular to the direction of elasticity the hot gas flow runs. Due to the centrifugal force, the circular flow makes the heavy ash particles separated radially outwards and removed circumferentially. Of the The central area of the circular flow contains the clean, filtered hot gas flow part, which is essentially in the direction of the axis of rotation of the circular flow of the gas turbine is forwarded directly.
Nach einem besonders bevorzugten Verfahren der Erfindung wird die Zirkularströmung durch einen Spülstrom induziert, der im wesentlichen tangential der Heißgasströmung zugeleitet wird. Der Spülstromdient zugleich als Trägermedium der ausgefilterten Ascheteilchen zum Abführen der Teilchen aus dem Filterbereich.According to a particularly preferred method of the invention, the Circular flow induced by a flushing flow that is essentially tangential the hot gas flow is fed. The flushing flow also serves as a carrier medium the filtered out ash particles to remove the particles from the filter area.
Insbesondere ist der Spülstrom ein Teil des aus der Brennkammer geleiteten Heißgases selbst. Der als Spülstrom verwendete Heißgasteil beträgt bevorzugt ca. 10 Vol.-% des gesamten aus der Brennkammer geleiteten Heißgases.In particular, the purge flow is part of that directed from the combustion chamber Hot gas itself. The hot gas part used as the flushing flow is preferably approx. 10% by volume of the total hot gas discharged from the combustion chamber.
Der ausgefilterte, die Ascheteilchen enthaltende Teil der Heißgasströmung wird zweckmäßigerweise zum Aufheizen der Verdichterluft verwendet.The filtered out part of the hot gas flow containing the ash particles is expediently used to heat the compressor air.
Bevorzugt kann der die Ascheteilchen enthaltende Teil der Heißgasströmung einer mechanischen Ab filterung der Ascheteilchen unterzogen werden.The part of the hot gas flow containing the ash particles can preferably a mechanical filter from the ash particles are subjected.
Der die Ascheteilchen enthaltende Heißgasströmungsteil kann vor Austritt in die Atmosphäre einer Drosselung ausgesetzt werden, um den Wirkungsgrad der Gasturbine nicht durch zu großen Druckabfall zu beeinträchtigen.The hot gas flow part containing the ash particles can before exiting in the atmosphere are subjected to a throttling to increase the efficiency of the gas turbine not affected by excessive pressure drop.
Der reingefilterte, der Gasturbine zugeleitete Heißgasströmungsteil wird bevorzugt nach dem Austritt aus der Gasturbine zum Aufheizen der Verdichterluft herangezogen. Dadurch werden die Heißgasverluste minimiert.The filtered hot gas flow part fed to the gas turbine is preferred after exiting the gas turbine for Warm up the compressor air is used. This minimizes hot gas losses.
Eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbare Vorrichtung mit Verdichter, Brennkammer und Gasturbine kennzeichnet sich dadurch, daß zwischen Brennkamraer und Gasturbine ein Trägheitsfilter zum Aus filtern der Heißgas-Ascheteilchen angeordnet ist. Der Trägheitsfilter ist ein Zirkularströmungsfilter oder ein Ablenkströmungsfilte(z.B. Umkehrzyklon, Geradeauszyklon, Ballistik-Abscheider).A device that can be operated according to the method according to the invention with compressor, combustion chamber and gas turbine is characterized in that between Combustion chamber and gas turbine an inertia filter to filter out the hot gas ash particles is arranged. The inertial filter is a circular flow filter or a deflecting flow filter (e.g. Reverse cyclone, straight-ahead cyclone, ballistic separator).
Der Trägheitsfilter ist im Betrieb hohem Druck und hoher Temperatur ausgesetzt. Aus diesem Grund besteht er bevorzugt aus hitzefester hochverdichteter Keramik.The inertial filter is in high pressure and high temperature operation exposed. For this reason, it is preferably made of heat-resistant, highly compressed Ceramics.
Zweckmäßigerweise ist der Trägheitsfilter einer Gaserzeuvor gerturbine vorgelagert, die ihrerseitsyeiner btutzturbine liegt und den Verdichter antreibt, der die der Brennkammer zugeleitete Brennluft verdichtet.Appropriately, the inertia filter of a Gaserzeuvor gerturbine upstream, which in turn is a power turbine and drives the compressor, which compresses the combustion air supplied to the combustion chamber.
Zwischen Verdichter und Brennkammer befinden sich mit Vorteil ein oder mehrere Wärmetauscher zum Aufheizen der Verdichterluft. Die Wärmetauscher beziehen ihre übertragungswärme aus dem die Ascheteilchen enthaltenden Teil der Heißgasströmung und/oder aus dem reingefilterten Heißgasströmungsteil nach einem Durchströmen durch die Gasturbine.Between the compressor and the combustion chamber there is an advantage or several heat exchangers for heating the compressor air. Relate the heat exchangers their heat of transfer from the part of the hot gas flow containing the ash particles and / or from the filtered hot gas flow part after flowing through the gas turbine.
Hochbeanspruchte Teile der Anlage sind bevorzugt aus Keramik gefertigt. Dies gilt insbesondere für den Leit/Laufapparat der Gasturbine und den oder die Wärmetauscher. Dadurch wird der Verschleiß stark hitze- und druckbeanspruchter Teile auf ein'Minimum herabgesetzt. Dem Wärmetauscher, der an den Ascheauslaß des Trägheitsfilters angeschlossen ist, kann ein (körperliches) Filterelement nachgeordnet sein (z.B. Filterpapier, Stoff, Metallgewebe, Glasfritte), das die Ascheteilchen vollends ausfiltert, bevor der (gekühlte) gasförmige Heißgasströmungsteil des Trägheitsfilters in die Atmosphäre abgeleitet wird.Highly stressed parts of the system are preferably made of ceramic. This applies in particular to the control / running apparatus of the gas turbine and the one or more Heat exchanger. This increases the wear and tear on parts that are subject to high heat and pressure reduced to a minimum. The heat exchanger connected to the ash outlet of the inertia filter connected can be followed by a (physical) filter element (e.g. filter paper, fabric, metal mesh, glass frit) that removes the ash particles completely filtered out before the (cooled) gaseous hot gas flow part of the inertia filter is discharged into the atmosphere.
Vor einem Ableiten in die Atmosphäre durchläuft der vorgenannte Strömungsteil bevorzugt eine einstellbare Drosseleinrichtung, um das Druckniveau im Trägheitsfilter und damit auch auf der Turbineneinlaßseite möglichst hoch zu halten, so daß der Wirkungsgrad der Turbine nicht beeinträchtigt wird.Before being discharged into the atmosphere, the aforementioned flow part passes through preferably an adjustable throttle device to reduce the pressure level in the inertia filter and thus to keep as high as possible on the turbine inlet side, so that the Turbine efficiency is not affected.
Durch die Erfindung wird demzufolge eine Abfilterung unerwünschter vergleichsweise großer Ascheteilchen aus einer Heißgasströmung geschaffen, bevor diese die erste Turbinenstufe beaufschlagt. Bei der Abfilterung findet kein körperliches Filterelement Verwendung, vielmehr wird das erhöhte spezifische Gewicht der Asche ausgenützt, um nach den Trägheits- oder dem Fliehkraftprinzip eine Abscheidung zu bewerkstelligen. Dadurch tritt beim Filtervorgang kein Drosselverlust der hochverdichteten Heißgasströmung ein, so daß die Gasturbine mit gutem Wirkungsgrad betrieben werden kann.The invention consequently makes filtering undesirable comparatively large ash particles from a hot gas flow created before this acts on the first turbine stage. When filtering there is no physical Filter element use, rather, the increased specific weight of the ash exploited to a separation according to the principle of inertia or the centrifugal force accomplish. As a result, there is no loss of throttle in the highly compressed air during the filtering process Hot gas flow, so that the gas turbine can be operated with good efficiency can.
Der gereinigte Heißgasstrom beaufschlagt die Leit- und Laufschaufeln der ersten Turbinen stufe praktisch ohne errosiven Angriff, so daß die Turbine eine erhöhte Lebensdauer aufweist, insbesondere dann, wenn die Verschleißteile aus hitze fester hochverdichteter Keramik aufgebaut sind. Der errosive Angriff ist deshalb weitgehend ausgeschaltet, weil es vor allem (nach dem Stand der Technik) die größeren Aschestaubteilchen sind, die mit hoher Aufprallgeschwindigkeit auf die heißgasberührten Teile der Turbine auftreffen und die durch die Erfindung ausgeschaltet sind (Ascheteilchengröße ca, 0,5 bis 20/um). Wird ein Spülluftstrom zur Induzierung einer Zirkularströmung verwendet, wird zweckmäßigerweise vom ankommenden verunreinigten Heißgas ein Anteil von ca. 10 °h abgezweigt, der den Staub enthält. Die übrigen gereinigten 90 % des Heißgases gelangen direkt in die Turbine. Um die hierdurch entstehenden Verluste klein zu halten, kann die Spülluft über einen Wärmetauscher geleitet werden, der Wärme auf die aus dem Verdichter kommende Luft überträgt.The cleaned hot gas flow acts on the guide and rotor blades of the first turbine stage with practically no erosive attack, so that the turbine has a Has increased service life, especially if the wear parts from heat solid high-density ceramic are built up. The erosive attack is therefore largely turned off because it is mainly (according to the prior art) the larger ones Ash dust particles are those that come into contact with the hot gas at high impact speed Parts of the turbine impinge and which are switched off by the invention (ash particle size approx. 0.5 to 20 / µm). If a purge air flow is used to induce a Circular flow is used, a portion of the incoming contaminated hot gas is expediently branched off from approx. 10 ° h, which contains the dust. The remaining 90% of the cleaned Hot gas goes directly into the turbine. About the resulting losses To keep it small, the purge air can be passed through a heat exchanger that Transfers heat to the air coming out of the compressor.
Dadurch wird der Heißgasverlust minimiert, so daß der Wirkungsgrad der Turbine nicht verschlechtert wird. Bevor die abgekühlte Spülluft ins Freie gelangt, kann sie über einen herkömmlichen Filter geleitet werden, um die Umweltbelastung klein zu halten. Der Spülluftauslaß enthält bevorzugt eine Drossel, um die gewünschten Druckverhältnisse in der Brennkammer und in der Turbine aufrechtzuerhalten und den Durchfluß einstellen zu können.This minimizes the loss of hot gas, so that the efficiency the turbine is not deteriorated. Before the cooled purging air gets outside, it can be passed through a conventional filter to reduce environmental pollution to keep it small. The purge air outlet preferably contains a throttle to the desired Maintain pressure conditions in the combustion chamber and in the turbine and the To be able to adjust the flow rate.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur in schematischer Darstellung eine kohlestaubbetriebene Gasturbinenanlage mit der Erfindung zeigt.The invention is described below using an exemplary embodiment Referring to the drawing explained in more detail, the single figure in schematic Representation shows a pulverized coal gas turbine plant with the invention.
Gemäß Zeichnung saugt der Verdichter 1 über die Ans augleitung 2 Verbrennungsluft an. Im Verdichter 1 wird die Luft komprimiert und auslaßseitig zwei'nachgeschalteten Wärmetauschern 3,4 zugeleitet, in denen die Verbrennungsluft erwärmt wird. Von der Sekundärseite des Wärmetauschers 4 gelangt die erhitzte Luft in die Brennkammer 5.According to the drawing, the compressor 1 sucks in the suction line 2 combustion air at. In the compressor 1, the air is compressed and two 'downstream' on the outlet side Heat exchangers 3.4 supplied, in which the combustion air is heated. Of the On the secondary side of the heat exchanger 4, the heated air enters the combustion chamber 5.
In der Brennkammer 5 wird über den Einlaß 14 Kohlestaub zugeführt und zusammen mit der erwärmten komprimierten Verdichterluft in der Brennkammer verbrannt.In the combustion chamber 5 coal dust is fed through the inlet 14 and burned together with the heated compressed compressor air in the combustion chamber.
Erfindungsgemäß ist der Brennkammer ein Trägheitsfilter 6 nachgeordnet, der aus hochverdichteter Keramik besteht. In diesen Filter strömt der aus der Brennkammer 5 austretende Heißgasstrom in definierter Weise derart, daß im Trägheitsfilter 6 eine Zirkularströmung senkrecht zur Hauptdurchströmungsrichtung des Filters aufgebaut ist (Rotationswirbel im kreisrunden Trägheitsfilter 6). Infolge der Wirbelbildung werden die vergleichsweise schweren Ascheteilchen durch Fliehkrafteinwirkung im wesentlichen radial nach außen geschleudert und vom Hauptgasstrom abgeschieden, dessen Strömungsrichtung im wesentlichen der Rotationsachse des Wirbels entspricht. Die ausgefilterten Ascheteilchen gelangen mit einem kleineren Teil des Gasstroms über einen Umfangsauslaß in eine Verbindungsleitung 10, die zum Wärmetauscher 4 führt. Im Wärmetauscher 4 gibt der die Asche enthaltende Teil des Gasstromes seinen Energieinhalt an die Verdichterluft ab, durchläuft das Filterelement 12 (z.B. Filterpapier) und eine nachgeordnete einstellbare Drosseleinrichtung 13 und'qelangt von dort in die Atmosphäre.According to the combustion chamber, an inertia filter 6 is arranged downstream, which consists of high-density ceramic. The from the combustion chamber flows into this filter 5 exiting hot gas stream in a defined manner in such a way that in the inertial filter 6 a circular flow is built up perpendicular to the main flow direction of the filter is (rotation vortex in the circular inertial filter 6). As a result of the vortex formation the comparatively heavy ash particles are caused by centrifugal forces in the essentially centrifuged radially outwards and separated from the main gas flow, whose direction of flow essentially corresponds to the axis of rotation of the vortex. The ash particles filtered out arrive with a smaller part of the gas flow Via a circumferential outlet into a connecting line 10 which leads to the heat exchanger 4 leads. In the heat exchanger 4, the part of the gas flow containing the ash gives its Energy content of the compressor air passes through the filter element 12 (e.g. filter paper) and a downstream adjustable throttle device 13 und'q arrives from there in the atmosphere.
Der größere Teil der Heißgasströmung gelangt längs der Rotationsachse des Trägheitsfilters 6 in die nachgeschaltete Gaserzeugerturbine 7. Diese treibt (über eine nicht veranschaulichte Einrichtung) den Verdichter 1 an. The greater part of the hot gas flow passes along the axis of rotation of the inertia filter 6 in the downstream gas generator turbine 7. This drives (via a device not shown) on the compressor 1.
Der Gaserzeugerturbine 7 ist eine Nutzturbine .8 nachgeschaltet, in der das gereinigte Heißgas vollends entspannt wird. The gas generator turbine 7 is followed by a power turbine 8, in which the cleaned hot gas is completely relaxed.
Das entspannte gereinigte Heißgas gelangt über eine Leitungsverbindung 9 zum Wärmetauscher 3 und gibt dort seine Restenergie an die Verdichterluft ab. Nach dem Wärmetauscher 3 gelangt die reine gekühlte Luft durch den Austritt 11 des Wärmetauscher 3 ins Freie. The relaxed, cleaned hot gas arrives via a pipe connection 9 to the heat exchanger 3 and there releases its residual energy to the compressor air. After the heat exchanger 3, the pure, cooled air passes through the outlet 11 of the Heat exchanger 3 to the outside.
Die Turbinen 7 und 8 können metallisch oder bevorzugt keramisch ausgeführt sein, ebenso die Wärmetauscher 3 und 4.The turbines 7 and 8 can be metallic or preferably ceramic as well as the heat exchangers 3 and 4.
Nutzturbine 8 und Gaserzeugerturbine 7 können bei einem Einwellen-Triebwerk in nicht getrennter Bauweise ausgeführt sein. Gegebenenfalls kann der Wärmetauscher 3 entfallen, um Gewicht der Anlage einzusparen (z.B. bei Flugtriebwerken). Soll die Anlage besonders klein und leichtgewichtig sein, können bei einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gasturbinenanlage beide Wärmetauscher entfallen. Das Filterelement 12 kann fortgelassen sein, wenn die Umweltbelastung keine Rolle spielt.Power turbine 8 and gas generator turbine 7 can be used in a single-shaft engine not be carried out in a separate design. If necessary, the heat exchanger 3 are omitted in order to save weight of the system (e.g. with aircraft engines). Intended to the system can be particularly small and lightweight, in another embodiment a gas turbine system according to the invention, both heat exchangers are omitted. The filter element 12 can be omitted if the environmental impact is not an issue.
Claims (17)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19813144675 DE3144675A1 (en) | 1981-11-10 | 1981-11-10 | Method and device for the operation of a gas turbine |
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DE19813144675 DE3144675A1 (en) | 1981-11-10 | 1981-11-10 | Method and device for the operation of a gas turbine |
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Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3144675A1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US5165236A (en) * | 1990-11-05 | 1992-11-24 | A. Ahlstrom Corporation | Detection of particles in a hot gas flow upstream of a gas turbine |
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AT166368B (en) * |
-
1981
- 1981-11-10 DE DE19813144675 patent/DE3144675A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Title |
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