DE3805901A1 - Mit kohlenstaub betreibbare gasturbine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mit Kohlenstaub be­ treibbare Gasturbine, mit einem Kohlenstaubbrenner und einer Radialturbinenstufe sowie mit einer der Radialturbinenstufe vorgeschalteten Abscheideeinrichtung für die im verbrannten Kohlegas vorhandenen Ascheteilchen.

Aus mehreren Gründen ist es bisher nicht möglich, Kohle in einer Brennkammer zu verbrennen und das erzeugte aschehaltige Heißgas direkt einer Gasturbine zuzuführen. Eine solche Technik wäre aber im Hinblick auf künftig zu entwickelnde kombinierte Gas/Dampfturbinenanlagen, die damit relativ billig und mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden könnten, als Alternative zu konventionellen kohlebefeuerten Kraftwerken von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Die Gründe, die bisher eine solche Verwendung verhindern, sind folgende: Die Turbine würde durch große Ascheteilchen mit Durchmessern größer als etwa 5 µ, die wegen ihrer Trägheit der Gasströmung in der Turbine nicht folgen können, in kurzer Zeit zerstört werden. Sodann tritt, vorwiegend in der ersten Leitschaufelreihe, eine starke Belags­ bildung auf. Und schließlich stellt sich noch das Problem, die Asche aus dem Turbinengehäuse fortlaufend zu entfernen.

STAND DER TECHNIK

Die bisherigen Versuche, Kohlenstaub direkt in der Brennkammer einer Gasturbine zu verbrennen, ergaben einen raschen Verschleiß der gasbeaufschlagten Teile, vor allem der Beschaufelung. Besonders in den ersten Stufen erleiden die Leit- und Lauf­ schaufeln schon nach kurzer Betriebszeit beträchtliche Material­ abtragungen durch Erosion, die hauptsächlich von den erwähnten größeren Ascheteilchen mit Durchmessern ab etwa 5 µ verursacht werden, die wegen ihrer zu großen Trägheit der Gasströmung in der Turbine nicht folgen können. Außerdem ist es bisher nicht gelungen, die erwähnte, rasch fortschreitende Belagsbil­ dung an den gasbeaufschlagten Turbinenteilen, vorwiegend im ersten Leitschaufelkranz, zu verhindern. Auch für das erwähnte Problem des Abtransports der Asche aus dem Turbinengehäuse heraus wurde noch keine Lösung gefunden.

Vorgeschlagen wurde in diesem Zusammenhang eine Kombination der Brennkammer mit einem Zyklonfilter, um die Asche vor der Turbine abzuscheiden. Dies gelingt aber einigermaßen befrie­ digend nur, wenn man einen untragbar hohen Druckabfall über diese Kombination in Kauf nimmt. Andernfall gelingt es nicht, sehr kleine Teilchen unter etwa 20 µ Durchmesser abzuscheiden. Eine Beschädigung der Turbine infolge Erosion durch diese Aschepartikel läßt sich auf diese Weise höchstens verzögern, nicht aber verhindern, und auch die anderen genannten Probleme werden damit nicht gelöst.

ERFINDUNGSAUFGABE

Die vorliegende Erfindung entstand aus der Aufgabe, die erwähnten Nachteile zu vermeiden. Da auf die Verwendung eines Zyklonfil­ ters verzichtet werden soll, vermeidet man auch die damit verbundenen Druckverluste. Die Erfindungsidee besteht darin, als Ort der Abscheidung eine Stelle im Treibgasstrom zu benut­ zen, an der die Fliehkräfte groß genug sind, um Ascheteilchen mit Durchmessern bis auf mindestens 3 µ herab ausscheiden zu können. Dafür wird erfindungsgemäß der Eintrittsraum in die Turbine benutzt, da dort die für die gewünschte Abscheidung erforderlichen hohen Fliehkräfte auftreten. Da aber hierbei die relativ großen abgeschiedenen Teilchen auf die Wandungen des Turbinengehäuses prallen könnten, müssen sie auf einem möglichst kurzen Weg nach der Abscheidestelle abgebremst werden. Dies und die Abführung der abgeschiedenen Ascheteilchen aus dem Turbinengehäuse sind weitere erfinderische Maßnahmen.

Die erfindungsgemäße Gasturbine ist dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheideeinrichtung einen das Laufradgehäuse außer­ halb des Umfanges des Radialturbinenlaufrades umgebenden Ring­ kanal eine in diesen Ringkanal tangential einmündende Wasser­ zuleitung, eine gegenüber der Einmündung dieser Wasserzuleitung in deren Einströmrichtung um einen Winkel versetzt angeordnete, tangential aus dem Ringkanal ausmündende Wasserableitung sowie einen die Wasserableitung mit der Wasserzuleitung verbindenden Wasserkreislauf aufweist, der eine Pumpe, einen Aschefilter, einen Kühler und eine Ersatzwasserleitung enthält.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf zwei in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiele näher be­ schrieben.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

In der Zeichnung stellen dar: Die

Fig. 1 und 2 schematisch Ausschnitte aus einer Radialturbine mit Leitschaufeln in einem axialen Längs- bzw. achsnormalen Querschnitt, die

Fig. 3 das Schema des Wasserkreislaufs für die Ascheabschei­ dung, und die

Fig. 4 und 5 zwei schematische Darstellungen, welche die Anwendung der Erfindung auf eine leitschaufellose Radialturbine mit Spiralgehäuse zeigen.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Die Fig. 1 und 2 zeigen schematisch einen Ausschnitt aus einer Radialturbine in einem Axialschnitt bzw. in einem achsnormalen Querschnitt. Im folgenden sind gleichen Elementen jeweils gleiche Bezugszahlen zugeordnet. Eine solche Radialturbine kann z.B. Teil eines Treibgaserzeugers für eine nachgeschaltete Arbeitsturbine mit Axialstufen sein. Das Radialturbinenrad 1 ist zweiflutig ausgeführt, besitzt also beidseits seiner Rad­ scheibe Laufschaufelkränze mit Laufschaufeln 2, die Laufschau­ felkanäle 3 begrenzen. Die Einströmkanäle 4 für das Kohlegas münden vor den beiden Fluten in Leitschaufelkränze 5, die das Kohlegas in die Laufschaufelkanäle 3 des zweiflutigen Turbinenlaufrades 1 umlenken. Die Leitschaufelkränze 5 lenken das Kohlegas in das Laufradgehäuse 6 um und erteilen ihm die für einen möglichst stoßfreien Eintritt in die Schaufelkanäle 3 des Laufrades 1 erforderlichen tangentialen und radialen Geschwindigkeitskomponenten. In Fig. 2 ist nur ein kleiner Teil des einen der beiden Leitschaufelkränze 5 eingezeichnet, die sich beidseits des Laufrades 1 über dessen ganzen Umfang erstrecken.

Zwischen den beiden Leitschaufelkränzen 5 ist ein mit dem Gehäuse 6 verbundener, sich über den ganzen Laufradumfang erstreckender und zu diesem hin offener Ringkanal 7 vorhanden, in den an einer Stelle seines Umfangs eine Wasserzuleitung 8 tangential einmündet. In der Strömungsrichtung gegenüber dieser Stelle versetzt, beispielsweise, wie in Fig. 2, um ca. 90°, zweigt aus dem Ringkanal 7 eine Wasserableitung 9 tangential ab. Durch die Wasserzuleitung 8 einströmendes Wasser erzeugt im Ringkanal 7 einen mit hoher Geschwindigkeit rotie­ renden Wasserwirbel, der sich infolge der Fliehkraft an den äußeren Teil des Ringkanals 7 anlegt und dessen Querschnitt, wie aus Fig. 1 ersichtlich, zu einem überwiegenden Teil aus­ füllt. Aus dem mit hoher Geschwindigkeit in den Ringraum vor den Leitschaufelkränzen 5 einströmenden Treibgas werden die Asche­ teilchen durch die Fliehkraft nach außen geschleudert und treten in den kreisenden Wasserwirbel ein, in dem sie auf kurzer Distanz, auf einem Weg von ca. 5 cm, völlig abgebremst und sodann von den äußeren Schichten des Wasserwirbels mit­ genommen werden. Über die Wasserableitung 9 werden diese Schichten mit den darin enthaltenen Ascheteilchen laufend aus dem kreisenden Wasserwirbel abgezogen.

Die Fig. 3 zeigt vereinfacht den Aufbau eines möglichen Kreis­ laufs für die Filterung aschehaltiger, aus Kohlenstaub erzeug­ ter Treibgase vor einer Radialturbine gemäß den Fig. 1 und 2. Die Wasserableitung 9 ist hier gegenüber der Wasserzuleitung 8 um 180° in Umfangsrichtung versetzt vorgesehen. Der Asche­ schlamm wird in einem Aschefilter 10 aus dem aus der Turbine abgezogenen Wasseranteil entfernt und dieser durch einen Küh­ ler 11 geleitet. Über eine Rücklaufleitung 12 gelangt dieser Wasseranteil in eine Pumpe 13, die den Kreislauf aufrecht­ erhält. Über eine in die Rücklaufleitung 12 einmündende Er­ satzwasserleitung 14 wird die im Radialturbinengehäuse verdamp­ fende Wassermenge laufend ergänzt. Die Steuerung der Ersatz­ wassermenge kann z.B. über die Wassertemperatur, die im Kühler zu beeinflussen ist, gesteuert werden. Bei niedriger Wasser­ temperatur ist der Temperaturunterschied zwischen dem Treibgas vor den Leitschaufelkränzen und dem im Ringkanal 7 kreisenden Wasserwirbel so groß, daß sich an der freien Oberfläche desselben ein überhitzter Wasserdampffilm bildet, der eine weitere Verdampfung weitgehend unterdrückt. Ein solcher Dampf­ film wird die freie Wasseroberfläche auch stabilisieren.

Die Fig. 4 und 5 zeigen, stark vereinfacht, die Möglichkeit, das vorstehend für eine Radialturbine mit Leitschaufeln be­ schriebene Prinzip der Ascheabscheidung im Turbinengehäuse auch bei einer Radialturbine mit einem Einlaufspiralgehäuse ohne Leitschaufeln anzuwenden. Dabei könnte die Abscheidung der Ascheteilchen schon unmittelbar am Eintritt des Treibgas­ kanals 16 in das Spiralgehäuse 15 stattfinden. Indem die Asche­ teilchen auf dem verhältnismäßig kurzen Weg zwischen der Wasserzuleitung 8 und der Wasserableitung 9 ausgeschleudert und aus dem Spiralgehäuse 15 abgezogen werden, ist dieses auch bei dieser Variante vor der abrasiven Wirkung der Verunrei­ nigungen im Treibgas wirksam geschützt.

Die erfindungsgemäß gewählte Stelle für die Ascheabscheidung vor der Turbine hat den Vorteil, daß an ihr die Fliehkräfte für die Abscheidung von Teilchen mit Größen über ca. 3 µ ausreichend groß sind. Vorteilhaft ist auch, daß die Relativ­ geschwindigkeit des einströmenden Treibgases, bezogen auf die Schaufelspitzen, bei einer Radialturbine so klein ist, daß Beschädigungen der Beschaufelung durch größere Teilchen im Bereich der Schaufelspitzen ausgeschlossen werden können.

Claims (3)

1. Mit Kohlenstaub betreibbare Gasturbine, mit einem Kohlen­ staubbrenner und einer Radialturbinenstufe sowie mit einer der Radialturbinenstufe vorgeschalteten Abscheideeinrichtung für die im verbrannten Kohlegas vorhandenen Ascheteilchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Abscheideeinrichtung einen das Laufradgehäuse (6, 15) außerhalb des Umfanges des Radialturbinenlaufrades (1) umgebenden Ringkanal (7), eine in diesen Ringkanal (7) tangential einmündende Wasserzu­ leitung (8), eine gegenüber der Einmündung dieser Wasserzu­ leitung (8) in deren Einströmrichtung um einen Winkel ver­ setzt angeordnete, tangential aus dem Ringkanal (7) aus­ mündende Wasserableitung (9) sowie einen die Wasserableitung (9) mit der Wasserzuleitung (8) verbindenden Wasserkreislauf aufweist, der eine Pumpe (13), einen Aschefilter (10), einen Kühler (11) und eine Ersatzwasserleitung (14) enthält.

2. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Radialturbine ein zweiflutiges Radialturbinenlaufrad (1) ist und im Laufradgehäuse (6) für jede Flut des Lauf­ rades (1) ein Leitschaufelkranz (5) vorgesehen ist.

3. Gasturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufradgehäuse leitschaufellos als Spiralgehäuse (15) ausgebildet ist.