DE4114678A1 - Quasi-isotherme verdichtung kompressor mit einspritzung - Google Patents

Description

Verbrennungsturbinenanlagen bestehen aus den Teilanlagen "Kompressor" zur Verdichtung der Verbrennungsluft und dem "Expander", der eigentlichen Expansionsturbine. Ca. 55% der in einer Expansionsturbine erzeugten Technischen Arbeit W_t werden innerhalb der Gesamtturbinenanlage vom Luftverdichter zur Verdichtung der Verbrennungsluft wieder verbraucht, so daß nur die Differenz zwischen der von der Turbine abgegebenen Arbeit Wt_exp und der vom Verdichter verbrauchten Arbeit W_verd als Nutzarbeit W_n zur Verfügung steht. Eine Verringerung der Verdichterarbeit um einen bestimmten Betrag führt zur Vergrößerung der Nutzarbeit um den gleichen Betrag:

W_n*/W_n° = (Wt_exp - W_verd*)/(Wt_exp - W_verd⊗)

Da Wt_verd in der Größenordnung von W_n oder größer als W_n ist, schlägt eine Verbesserung des Verdichtungsvorganges immer entscheidend auf den Wirkungsgrad der Verbrennungs­ turbinenanlage durch. Aus diesem Grunde sind Verdichter ganz allgemein und im Zusammenhang mit Verbrennungs­ turbinen im besonderen immer Gegenstand von Ver­ besserungsmaßnahmen gewesen. Die Thermodynamik lehrt, daß die isotherme Verdichtung zur minimalen Verdichtungs­ arbeit führt; daher werden mehrstufige Verdichter mit Zwischenkühlung zwischen den einzelnen Verdichtungsstufen ausgeführt. Dazu wird der teilverdichtete Gasstrom aus dem eigentlichen Verdichtergehäuse heraus- und einem Durchlaufkühler zugeführt. Dieses Verfahren ist aufwendig und nur für begrenzte Massenströme durchführbar. Für Verbrennungsturbinen im stationären Betrieb, z. B. in der Elektrizitätserzeugung oder für Flugzeugantriebe, ist dieser Weg technisch-wirtschaftlich wenig aussichtsreich und daher bis jetzt auch nicht beschritten worden.

Die Entwicklung von Verbrennungsturbinen hat die Erhöhung der Gaseintrittstemperatur zum Ziel, weil mit steigender Eintrittstemperatur auch der thermische Wirkungsgrad der Verbrennungsturbine steigt, ein Erfordernis der Umwelt­ schutzauflagen und der Wirtschaftlichkeit. Hohe Brenn­ kammertemperaturen führen leider zu gesteigerter NO_x- Bildung, die wiederum aus Gründen des Umweltschutzes zu vermeiden sind.

Die NO_x-Bildung kann eingeschränkt werden, wenn Ober­ temperaturen, die stark von der gewünschten Brennkammer­ mitteltemperatur abweichen, vermieden werden. Dem wird zum Teil durch geeignete Brenner- und Brennkammer­ ausbildung Rechnung getragen; andere, zusätzliche Maßnahmen sind Senkung des Brennstoffheizwertes durch Zumischung von inerten Gasen oder die Einspritzung von Wasser oder Wasserdampf in die Brennkammer.

Nach dem Stand der Technik gilt die Einspritzung von Wasser als eine besonders wirksame Maßnahme zur NO_x- Minderung in den Rauchgasen. Bei Einsatz einer so betriebenen Verbrennungsturbine, etwa in einem Kombicycle-Kraftwerk, leidet jedoch der Nettogesamt­ wirkungsgrad der Stromerzeugung. Offenbar zeigt sich auch hier die Erfahrung, daß bei isolierten Maßnahmen an kon­ ventionellen Konzepten Wirtschaftlichkeit und Umweltver­ träglichkeit i.a. gegenläufig sind.

Die vorliegende Erfindung hat es sich zum Ziel gesetzt, die aus Gründen der Umweltverträglichkeit und Wirt­ schaftlichkeit gebotene Anreicherung der in die Brenn­ kammer eintretenden Ströme mit Wasserdampf so durch­ zuführen, daß eine signifikante Verbesserung des Gesamt­ prozesses erreicht wird.

Dazu wird vorgeschlagen, den Verdichtungsprozeß dadurch einem quasi-isothermen Prozeß anzunähern, daß geeignet aufbreitetes Wasser so über die Länge des Axialver­ dichters verteilt durch Zerstäubungsdüsen eingespritzt wird, daß die Verdampfungsenthalpie gerade der bei der adiabaten Verdichtung geleisteten Arbeit oder einem definierten Bruchteil dieser Arbeit entspricht. Dadurch entsteht ein Verdichter-Temperaturverlauf, der im Idealfall isotherm ist, im praktisch realisierbaren Fall zwischen dem der isothermen und der adiabaten Verdichtung liegt, wobei die spezifische Verdichterarbeit mit Annähe­ rung in den isothermen Fall sinkt.

Eine begrenzende Bedingung ist, daß der eingespritzte Wasserstrom in der verfügbaren Verweilzeit auch verdampft werden kann. Dies erfolgt umso sicherer, je höher die Temperatur der jeweiligen Verdichtungsstufe ist und je vollständiger die Zerstäubung zu kleinsten Tropfendurch­ messern gelingt; da andererseits die Thermodynamik eine möglichst niedrige Temperatur (in der Nähe der Ansaug­ temperatur der Luft) fordert, ergibt sich eine Opti­ mierungsaufgabe. Dabei dienen als Kriterien für eine geeignete Betriebsweise, daß die Verdampfung sicher erfolgt und daß die Minderung der Verdichtungsarbeit mit einem möglichst kleinen Wasserstrom erreicht wird. Eine Obergrenze für die Wasserzufuhr bildet auch der gewünschte NO_x-Restgehalt im Rauchgas (Wasser ist teuer, z. T. begrenzt verfügbar und ebenfalls ein zu schützendes Umweltgut).

Aus Gründen der NO_x-Begrenzung wird ein bestimmter Wasserdampfgehalt der Verbrennungsluft benötigt, wobei es dafür zunächst gleichgültig ist, in welcher Verteilung der Wasserstrom über der Verdichterstufenzahl zugeführt wurde. So könnte vorgeschrieben werden, daß von einer bestimmten Verdichtungsstufe an die Temperatur konstant zu halten ist; aus dieser Forderung bestimmt sich dann der Einspritzwasserstrom je Verdichtungsstufe. Es zeigt sich jedoch, daß eine Reduzierung der Stufentemperatur in etwa gleichbleibendem Verhältnis sich günstig auf den zur Minimierung der Verdichtungsarbeit erforderlichen Einspritzwasserstrom auswirkt.

Geht man von ISO-Bedingungen aus (Ansaugtemperatur = 15°C), so kann die Verdichterarbeit auf ca. 80% der bei herkömm­ licher Arbeitsweise erforderlichen Verdichterarbeit ver­ ringert werden. Dabei würde der Wasserdampfgehalt der Verbrennungsluft um etwa 0,1 kg/kg Luft steigen. Sollte ein geringerer Wasserdampfgehalt aus Gründen, die nicht beim Verdichterbetrieb liegen, gewünscht sein, so würde die Einsparung an Verdichtungsarbeit geringer ausfallen. Z.B. entspräche einer Wasserzugabe von ca. 0,06 kg/kg Luft eine Verringerung der Verdichterarbeit auf 90%.

Nach der oben gegebenen Gleichung ergeben sich für mittlere Verhältnisse folgende Anhaltszahlen.

Diese Zahlen geben folgende Hinweise:

• 1. Die Konstruktion des Verdichters muß an die sich ändernden Massenströme angepaßt werden.
• 2. Die Leistungsverbesserung durch die vorgesehene Maßnahme ist so signifikant, daß insbesondere bei Neukonstruktionen (für große Leistungen) entscheidende Wettbewerbsvorteile zu erwarten sind: Die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit ist offensichtlich, der Beitrag zur Verbesserung der Umweltverträglichkeit folgt sowohl aus der Verringerung des spezifischen Brennstoff­ verbrauches als auch aus der homogenen Verteilung des Wasserdampfes in der Verbrennungsluft, die eine Bedingung für eine wirkungsvolle NO_x-Unterdrückung ist.
• 3. Die Senkung des Temperaturanstieges während des Ver­ dichtungsvorganges führt zur Verkleinerung des spezifi­ schen Volumens der zu verdichtenden Luft; daraus folgen Gestaltungsmöglichkeiten für Strömungsgeschwindigkeit, Druckverlust oder Strömungsquerschnitt.

Die Zerstäubung von Fluiden wie Wasser ist grundsätzlich Stand der Technik. Der Zusammenhang "Zerstäubungsüber­ druck-Tropfengrößenspektrum" ist bekannt. Als Zusatz­ wasser kann Kesselspeisewasser eingesetzt werden, das im Kraftwerk vorhanden ist, aber auch getrennte Aufbereitung von Wasser ist gerechtfertigt. Die Eindüsung in den Verdichter ist noch konstruktiv zu lösen. Hier bieten sich Elemente an, die bereits zur Kühlung von Gas­ turbinenschaufeln eingesetzt werden (Diffusion durch poröse Schaufelwände, Eindüsung durch die Abströmpartie der Schaufeln, Eindüsung durch die Gehäusewand unter bewußter Benetzung der Schaufeloberflächen). Verdichter­ enddrücke von ca. 20 bar erfordern Zerstäubungsdrücke zwischen 25 und 40 bar.

Der Grundgedanke der Verbesserung des Verdichtungsvor­ ganges durch Annäherung an isotherme Arbeitsweise wurde am Beispiel der Wassereindüsung dargelegt; grundsätzlich leisten alle Fluide mit einem hinreichend hohen Dampf­ druck in dem für Luftverdichtung typischen Tempera­ turbereich bei Eindüsung in den Verdichtungsweg ebenfalls einen mehr oder weniger großen Beitrag zur Senkung der Verdichtungstemperatur. Daher kann bei Verwendung eines fluiden Brennstoffes mit geeigneter Dampfdruckkurve ein Bruchteil des Brennstoffes zur Verdunstungskühlung in den Verdichterweg eingedüst werden, solange ein hinrei­ chender Abstand von den jeweiligen Zündkonzentrationen eingehalten wird.

Die Verhältnisse werden in den Diagrammen Fig. 1 und Fig. 2 verdeutlicht:
Über einer Kennzahl phi, die proportional der jeweiligen Verdichtungsendtemperatur ist, zeigen die Kurven

W_t2/W_tadiabat und W_t1/W_tadiabat

im dargestellten Bereich Werte zwischen 0,69 und 0,92. Auf diese Werte kann die spezifische Verdichterarbeit gegenüber dem adiabaten Prozeß verringert werden, wenn der Luft in der oben beschriebenen Weise Wasser in den durch die Kurven x1 und x2 angegebenen Verhältnissen (kgw/kgl) zugeführt und durch die Kompressionsarbeit verdampft wird. Die Kurve "verdampfbarer Wasserstrom" gibt die unter den angenommenen Bedingungen verdampfbaren Wasserstrom an.

Es wird deutlich, daß erst oberhalb von phi= ca. 0,48 der verdampfbare Wasserstrom größer ist als der durch x1 und x2 angegebene Bedarf. Das heißt für Zustände links von phi = ca. 0,48 liegen die realisierbaren Minderungen der Ver­ dichtungsarbeit oberhalb der Kurven

W_t2/W_tadiabat und W_t1/W_tadiabat.

Im konkreten Fall sind die jeweiligen Verhältnisse zugrunde zu legen. Es wird ausdrücklich darauf hin­ gewiesen, daß zur Verdeutlichung der Zusammenhänge hier die Medienströme als ideale Gase behandelt wurden; dennoch sind die Ergebnisse konzeptionell richtig und sehr nahe an der Realität.

Fig. 2 zeigt ebenfalls über phi die erwartete Verdich­ tungsendtemperatur, den für einen Luftmassenstrom von 501 kg/s erforderlichen Wassermassenstrom sowie den für die angenommenen Verhältnisse verdampfbaren Wassermassen­ strom. Für diese Kurven gilt die linke Ordinate; auf der rechten Ordinate kann der spezifische, also je kg Luft verdampfbare Wasserstrom abgelesen werden. Wie in Fig. 1 sind Zustände rechts vom Schnittpunkt zwischen den Kurven "erforderlicher" und "verdampfbarer" Wasserstrom realisierbar; die Absenkung der Verdichterendtemperatur links des Schnittpunktes wird durch den verdampfbaren Wasserstrom begrenzt. Die angegebenen verdampfbaren Wasserströme sind unter generalisierenden Annahmen für Wärme- und Stoffübergang ermittelt; sie bedürfen im konkreten Fall der Präzisierung.

Claims (2)

1. Verbrennungsturbinenprozeß mit den Prozeßschritten: Verbrennungsluftverdichtung, Verbrennung eines gasförmigen oder fluiden Brennstoffes, anschließende Expansion in der eigentlichen Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, daß zur Annäherung des Verdichtungsvor­ ganges an einen quasi-isothermen Prozeß flüssiges Wasser von einem zur Zerstäubung geeigneten Druck ausgehend (5 bis 20 bar oberhalb des jeweiligen Verdichtungsdruckes zur Erzielung einer Tropfengrößenverteilung kleinster Durchmesser) nach Maßgabe der gewünschten Temperatur­ verteilung über die einzelnen Verdichtungsstufen verteilt durch Zerstäubungsdüsen in den durch den Verdichter fließenden Luftstrom eingeblasen wird, wobei sich die Wasserzufuhr je Verdichtungsstufe aus der gewünschten Stufenendtemperatur ergibt, jedoch eine Grenze für die Gesamtwasserzufuhr, die typisch zwischen 0 und ca. 0,2 kg Wasser/kg Luft liegt, nicht überschritten werden kann, die dadurch gegeben ist, daß sich der je Verdichtungs­ stufe zuzuführende Wasserstrom und die niedrigst erreichbare Verdichtungstemperatur zur Annäherung an den isothermen Prozeß durch die Wärme- und Stoffübergangs­ verhältnisse ins Gleichgewicht setzen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle von oder zusätzlich zu dem Wasser fluider Brenn­ stoff zur internen Kühlung des Verdichtungsvorganges zur Annäherung an den isothermen Prozeß bis zu einer höchst­ zulässigen Brennstoffkonzentration, die hinreichend weit von der Zündgrenze unter den jeweilig herrschenden Bedingungen (z. B. 50% der unteren Zündgrenze) entfernt ist, eingespritzt wird.