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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage
mit flüssigem
oder gasförmigem
Brennstoff unter Verwendung eines Brennstoffvormischers, bei dem
nur sehr geringe NOx-Emissionen auftreten.
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Bei
den bekannten Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage mit
flüssigen
oder gasförmigen
Brennstoffen unter Verwendung von Vormischbrennern wird die Verbrennungsluft
zuerst in einem Verdichter verdichtet und durch einen Diffusor geführt. Dann
sind unterschiedliche weitere Verfahrensschritte möglich. So
wird z.B. ein Teil der Luft vom Diffusor zur Kühlung der Brennkammerwände benutzt, bevor
dieser Teil der Luft in die Brennkammer geleitet wird. Der andere
Teilstrom der Luft gelangt über
den Brenner nach Mischung mit dem Brennstoff ebenfalls in die Brennkammer,
in der das Brennstoff/Luft-Gemisch verbrennt. Bei einer anderen
Variante dient der gesamte vom Diffusor kommende Luftmassenstrom zunächst zur
Kühlung
der Brennkammerwände,
bevor er durch den Brenner gelangt und mit dem Brennstoff gemischt
wird. Das Gemisch wird in der Brennkammer verbrannt, die Turbine
beaufschlagt und das Abgas wird abgeführt und kann z.B. zur Dampferzeugung
einer Dampfturbine verwendet werden.
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Aus
DE 28 36 539 C2 ist
ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage bekannt, bei dem mit
Luft das Heissgasgehäuse
gekühlt
wird. Eine Abgasrückführung wird
nicht erwähnt.
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In
DE 23 01 865 A wird
eine Brennkraftmaschine mit äusserer
Verbrennung offenbart, bei der die Brennkammer und die Kraftstoffzufuhr
so angeordnet sind, dass der Kraftstoff zunächst in unter dem Druck des
Verdichters stehenden Abgas eines kontinuierlich betriebenen Brenners
eingebracht (Teilreaktion R1) und anschliessend mit der Verbrennungsluft, d.h.
durch Zugabe von Frischluft (Teilreaktion R2) gemischt wird. Mit
dieser Lösung
soll der Reaktionsvorgang intensiviert werden. Mit dem typischen
Abgaszustand einer modernen Gasturbinenbrennkammer (hohe Temperatur,
Sauerstoffüberschuss)
würde R1 dazu
tendieren, sofort unter Bildung eines grossen Anteils von Schadstoffen
auszureagieren. Deshalb wird u.a. von dem in R1 reagierenden Gemisch
Wärme abgezogen,
was zu einem hohen Kosten- und Regelungsaufwand führt.
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Es
ist bekannt, dass die untere Grenze der NOX-Emissionswerte
der Gasturbinenanlagen bei den bekannten trockenen Vormischbrennsystemen, z.B.
dem Doppelkegelbrenner nach EP A1 0 321 809 und EP A1 0 521 325,
durch die Flammentemperatur auf der unteren Löschgrenze bestimmt wird. Praktische
Einschränkungen
erfordern einen Sicherheitsabstand oberhalb dieser Grenze, was zu
Flammentemperaturen führt,
die grösser
als 1650 K sind.
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Der
Wunsch bzw. der Zwang nach Erhöhung des
Wirkungsgrades von Gasturbinen führt
dazu, die Flammentemperaturen noch mehr zu erhöhen, wobei aber wiederum die
NOx-Werte ansteigen, was aus Gründen des
Umweltschutzes nicht erwünscht
ist.
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Darstellung
der Erfindung
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Die
Erfindung versucht, all diese Machteile zu vermeiden. Ihr liegt
die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage mit
flüssigem
oder gasförmigem
Brennstoff nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 den Wirkungsgrad
zu erhöhen
und gleichzeitig die NOX-Emissionswerte weiter
zu verringern.
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Erfindungsgemäss wird
dies dadurch erreicht, dass ein Teil des Abgases von der Brennkammer
in eine vor dem Brennstoffvormischer angeordnete Strahlpumpe zurückgeführt wird,
dort unter Ausnutzung der Druckenergie der eintretenden Verbrennungsluft
mit dieser gemischt wird und dieses Abgas/Luft-Gemisch im Brennstoffvormischer
mit dem Brennstoff während
der Zündverzugszeit
gemischt wird oder dass alternativ dazu das zurückgeführte Abgas, die Verbrennungsluft
und der Brennstoff gleichzeitig unter Ausnutzung des Zündverzuges
in einer in tegrierten, aus Strahlpumpe und Brennstoffvormischer
bestehenden Einheit gemischt werden. Eine weitere Variante ist die
Mischung von Verbrennungsluft und Brennstoff vor der Zugabe des
Abgases.
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Die
Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass höhere Brennereintrittstemperaturen
erreicht werden und dadurch die NOX-Werte
auf Grund der reduzierten Reaktionsdichte gesenkt werden können. Weiterhin
werden die Zündverzugszeiten
des Brennstoff/Luft-Gemisches bei den üblichen Gasturbinendrücken erheblich
reduziert, so dass man auf den Einsatz von Flammenhaltern und Pilotflammen
verzichten kann. Das führt ebenfalls
zu einer Reduzierung der NOX-Emissionswerte.
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Es
ist besonders zweckmässig,
wenn die Strahlpumpe bzw. die integrierte Einheit direkt mit der vom
Verdichter kommenden Verbrennungsluft beliefert wird, weil dann
die bereits vorhandene Geschwindigkeit ausgenutzt werden kann, ohne
dass zusätzlich
Diffusor- und Düsenverluste
auftreten.
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Ferner
ist es vorteilhaft, wenn die Strahlpumpe direkt mit dem Brennstoffvormischer
integriert ist, weil in beiden Einheiten eine intensive Mischung
der verschiedenen Medien durchgeführt wird.
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Schliesslich
wird mit Vorteil beim Start der Anlage bzw. bei sehr niedrigen Lasten
ein vor der Hauptbrennstoffeindüsung
angeordnetes Hilfsbrennersystem, das nicht auf Selbstzündung angewiesen ist,
zugeschalten, weil damit die Temperaturen auf das notwendige Mass
erhöht
werden können.
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Weiterhin
ist es zweckmässig,
wenn bei Teillastbedingungen in das rezirkulierte Abgas durch eine
Zusatzbrennstoffeindüsung
weiterer Brennstoff eingedüst
wird, wobei das Zündverzugs prinzip
ausgenutzt wird. Dadurch kann die erforderliche Oxidationsmitteltemperatur
für den
Hauptbrenner erzeugt werden.
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Ausserdem
ist es vorteilhaft, wenn beim Start der Anlage bzw. bei sehr niedrigen
Lasten ein vor der Zusatzbrennstoffeindüsung angeordnetes Hilfsbrennersystem,
das nicht auf Selbstzündung
angewiesen ist, zugeschalten wird. Dadurch kann ebenfalls die erforderliche
Oxidationsmitteltemperatur für
den Hauptbrenner erreicht werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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In
der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele
der Erfindung dargestellt.
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Es
zeigen:
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1 ein
Verfahrensschema, bei dem die Luft aus dem Diffusor in einen Strom
zur Kühlung
der Brennkammerwände
und in einen Strom für
die Strahlpumpe aufgeteilt wird und Strahlpumpe und Brennstoffvormischer
getrennte Einheiten bilden;
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2 ein
Verfahrensschema wie in 1 mit dem Unterschied, dass
Strahlpumpe und Brennstoffvormischer eine integrierte Einheit bilden;
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3 ein
Verfahrensschema, bei dem die Luft aus dem Verdichter in einen Strom
zum Diffusor und zur anschliessenden Kühlung der Brennkammerwände und
in einen direkten Strom für
die Strahlpumpe aufgeteilt wird und Strahlpumpe und Brennstoffvormischer
getrennte Einheiten bilden;
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4 ein
Verfahrensschema wie in 3 mit dem Unterschied, dass
Strahlpumpe und Brennstoffvormischer eine integrierte Einheit bilden.
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Es
sind nur die für
das Verständnis
der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Die Strömungsrichtung
der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.
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Weg zur Ausführung der
Erfindung
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der 1 bis 4 näher erläutert.
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Das
Verfahrensschema nach 1 zeigt, dass die Ansaugluft 1 zunächst in
einem Verdichter 12 verdichtet wird und anschliessend in
einen Diffusor 13 gelangt. Die Luft aus dem Diffusor 13 wird
in zwei Massenströme 2, 6 aufgeteilt.
Der grössere Massenstrom 2 wird
direkt vom Diffusor 13 in die Strahlpumpe 14 geleitet,
während
der kleinere Luftmassenstrom zunächst
als Kühlluft 6 für die Kühlung der
Brennkammer 17 benutzt wird, bevor er dann ebenfalls in
die Strahlpumpe 14 transportiert wird. Die Strahlpumpe 14 dient
einerseits zum Rücksaugen
eines Teils des Abgases 7, 8 von der Brennkammer 17,
da in der Brennkammer 17 ein geringerer Druck herrscht,
andererseits findet dort unter Ausnutzung der Druckenergie eine
intensive Mischung des von der Brennkammer 17 zurückgeführten Abgases 7, 8 mit
der Verbrennungsluft 2, sowie der zurückgeführten Kühlluft 6, statt. Das
Abgas/Luft-Gemisch 3 gelangt dann von der Strahlpumpe 14 in
den Brennstoffvormischer 15. Durch die Hauptbrennstoffeindüsung 10 wird
gasförmige
Brennstoff, beispielsweise Erdgas, zugemischt. Selbstverständlich kann
in einem anderen Ausführungsbeispiel
anstelle des gasförmigen
Brennstoffes auch flüssiger
Brennstoff eingesetzt werden. Dieser muss dann aber verdampft werden.
Der Zündverzug
stellt dabei die Zeit zur Verfügung,
die für
die Vormischung notwendig ist. Anschliessend wird dieses Abgas/Luft/Brennstoff-Gemisch 4 in
der Brennkammer 17 verbrannt und die Turbine 18 wird
mit dem heissen Abgas 5 beaufschlagt. Dort wird es zum
Turbinen-Abgas 9 entspannt. Ein Teil des Abgases 5 von
der Brennkammer 17 wird, wie bereits oben beschrieben,
als rezirkuliertes Abgas 7 in die Strahlpumpe 14 zurückgeführt und
mit der Verbrennungsluft 2 und der ehemaligen Kühlluft 6 gemischt.
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Bei
Teillastbedingungen ist die Temperatur des Abgases 7 nicht
ausreichend, um die nötige Brennkammereintrittstemperatur
zu erreichen. Deshalb kann, wie in 1 dargestellt
ist, im Rückführkanal 16 eine
Zusatzbrennstoffeindüsung 11 angeordnet
werden. Das Abgas 7 wird mit dem zusätzlichen Brennstoff gemischt
und verbrannt, so dass das nunmehr aufgeheizte Abgas 8 an
der Strahlpumpe 14 eine höhere Temperatur aufweist. Falls
das rezirkulierte Abgas 7 heiss genug ist, erfolgt dieser
Vorgang ähnlich
wie im Brennstoffvormischer 15 und in der Brennkammer 17 im
Selbstzündmodus.
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Infolge
des Zumischens der heissen Abgase 7, 8 zur Verbrennungsluft 2 wird
die Temperatur des Gases erhöht.
Berechnungen zeigen, dass für
eine gegebene Flammentemperatur Vormischbrennsysteme mit einer höheren Brennkammereintrittstemperatur
niedrigere NOx-Emissionswerte aufweisen
als Vormischbrennsysteme mit einer tieferen Brennkammereintrittstemperatur,
was auf die geringere Reaktionsdichte zurückzuführen ist. Wenn die Brennkammereintrittstemperatur über 1150
K erhöht
wird, dann sinkt die Zündverzugszeit
eines Erdgas/Luft-Gemisches
bei typischen Gasturbinendrücken
auf Werte in der Grössenordnung
von 1 ms ab. Der geringe Zündverzug
infolge der chemischen Kinetik führt
dann dazu, dass aerodynamische oder physikalische Flammenhalter
oder Pilotflammen, welche nach dem Stand der Technik sonst eingebaut
werden müssten, nicht
mehr notwendig sind. Dies führt
ebenfalls dazu, dass die NOx-Emissionswerte
weiter gesenkt werden.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in 2 dargestellt. Das Verfahren
unterschiedet sich vom Ausführungsbeispiel
1 nur darin, dass die Stahlpumpe 14 und der Brennstoffvormischer 15 keine
getrennten separaten Einheiten bilden, sondern eine einzige integrierte
Einheit 19 (Strahlpumpmischer) darstellen. Dies ist möglich, da sowohl
in der Strahlpumpe 14 als auch im Brennstoffvormischer 15 Mischprozesse
stattfinden. In der integrierten Einheit 19 werden also
die Verbrennungsluft 2, die aufgeheizte Kühlluft 6,
das rezirkulierte Abgas 7 bzw. das aufgeheizte Abgas 8 und
der gasförmige Brennstoff
intensiv miteinander vermischt, so dass ein sehr kompaktes Brennersystem
zur Verfügung steht.
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Beim
Start des Brenners und bei sehr niedrigen Lasten ist eine zusätzliche
Wärmezufuhr
nötig. Das
kann, wie aus 2 zu entnehmen ist, dadurch realisiert
werden, dass ein neben der Zusatzbrennstoffeindüsung 11 angeordnetes
Hilfsbrennersystem 20, welches nicht auf Selbstzündung angewiesen
ist, zugeschalten wird.
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Alternativ
dazu kann in einem anderen Ausführungsbeispiel
(siehe 3) das Hilfsbrennersystem 20 neben der
Hauptbrennstoffeindüsung 10 angebracht
werden und bei Bedarf zugeschalten werden.
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Das
in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet
sich vom Verfahren nach 1 nur noch neben dem eben Gesagten
dadurch, dass der Luftmassenstrom vom Verdichter 12 in
zwei Massenströme 2, 6b geteilt
wird. Der grössere
Teil der Verbrennungsluft 2 wird benutzt, um die Strahlpumpe 14 direkt
zu betreiben. Dadurch werden zusätzliche Diffusorverluste
verhindert. Der zweite Luftmassenstrom 6 wird nach dem
Durchgang durch den Diffusor 13 zur Kühlung der Wände der Brennkammer 17 verwendet.
Danach wird er ebenfalls in die Strahlpumpe 14 abgelassen.
Auf diese Weise ist zusätzlich
zum Druckrückgewinn
des Diffusors 13 der Saugdruck der Strahlpumpe 14 zur
Kühlung
des Systems benutzbar. Dies reduziert den notwendigen Massenfluss.
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Der
Unterschied des in 4 abgebildeten Verfahrens im
Vergleich zum Ausführungsbeispiel nach 2 ist
der gleiche wie der zwischen Ausführungsbeispiel 3 und 1, d.h.
im Ausführungsbeispiel
4 wird der Luftmassenstrom aus dem Verdichter 12 in einen
Strom 6 zum Diffusor 13 und zur anschliessenden
Kühlung
der Brennkammer 17 und in einen direkten Strom 2 für die aus
Strahlpumpe 14 uns Brennstoffvormischer 15 bestehende
integrierte Einheit 19 aufgeteilt, während in 2 der
gesamte Luftmassenstrom durch den Diffusor 13 geht und
erst danach in die beiden Teilströme 2, 6 aufgeteilt
wird.
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Die
in den Ausführungsbeispielen
3 und 4 beschriebenen Verfahrensvarianten sind in Bezug auf Druckverlust
und Kühlung
effektiver als die Verfahrensvarianten 1 und 2.
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Bei
diesen Ausführungsbeispielen
kann als Alternative auch zuerst eine Mischung von Verbrennungsluft
und Brennstoff und dann anschliessend die Zugabe von Brennstoff
erfolgen.
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Da
das rezirkulierte Abgas 7, 8 auch ein zweites
Mal durch die Flammenzone fliesst, ist es möglich, diese Strömung in
der Nähe
des Brennkammereintritts herauszuziehen, obwohl die Reaktion und
der CO-Ausbrand noch nicht in dieser Zone völlig beendet sind.
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- 1
- Ansaugluftluft
- 2
- Teil
der Verbrennungsluft (grösserer
Luftmassenstrom vom
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- Verdichter
bzw. Diffusor)
- 3
- Abgas/Luft-Gemisch
- 4
- Abgas/Luft/Brennstoff-Gemisch
- 5
- Abgas
- 6
- Kühlluft
- 7
- rezirkuliertes
Abgas
- 8
- aufgeheiztes
Abgas
- 9
- Turbinen-Abgas
- 10
- Hauptbrennstoffeindüsung
- 11
- Zusatzbrennstoffeindüsung
- 12
- Verdichter
- 13
- Diffusor
- 14
- Strahlpumpe
- 15
- Brennstoffvormischer
- 16
- Abgasrückführkanal
- 17
- Brennkammer
- 18
- Turbine
- 19
- integrierte
Einheit aus Strahlpumpe und Brennstoff
-
- vormischer
- 20
- Hilfsbrennersystem