DE4335598A1 - Verfahren und Beschaufelung zur Verhinderung von Fouling in Gasturbinenanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Beschaufelung zur Verhinderung von Fouling und zur Leistungssteigerung durch Kühlung bis unter 0°C der Ansaugluft mittels eines Turbokühlaggregates, bestehend aus Kompressor, Kühler und Expansionsturbine, vorge­ schaltet der Gasturbine.

Fouling in Gasturbinen wird durch Luftverschmutzung verursacht. Partikel, welche das Filter passieren, werden in die Beschaufelung zentrifugiert, setzen sich auf der Schaufeloberfläche fest und vermindern auf diese Weise sowohl die Leistung als auch die Le­ bensdauer der Turbinenanlage. Diese Erscheinung tritt hauptsäch­ lich im Kompressor der Gasturbine auf.

Zur Vermeidung bzw. Entfernung der genannten Oberflächenschicht wurden einige Reinigungsverfahren entwickelt, welche im zusammengebauten Zustand der Maschine angewendet werden sollen.

Der Nachteil dieser Systeme besteht darin, daß sie einerseits hochkompliziert und somit störungsanfällig, anderseits in ihrer Wirkung wenig überzeugend sind.

Beispielsweise wird in der Zeitschrift "Diesel & Gas Turbine Worldwide", Ausgabe 1990, Seite 30 f., ein System zum Reinigen von Gasturbinen-Kompressoren vorgestellt. Die Hauptbestandteile sind hierbei ein justierbares Einspritzsystem im Einströmraum zur Schaufelreinigung ohne Betriebsunterbrechung. Es werden Lösungs­ mittel oder wasserlösliche Reinigungsfluida eingespritzt.

Eine weitere Publikation (1991 ASME COGEN-TURBO, IGTI-Vol. 6) be­ richtet auf Seite 497 über ein ebenfalls während des Betriebes an­ wendbares Kompressor-Reinigungssytem. Hierbei ist eine Anordnung vorgesehen, welche aus einer Zerstäubungs- und Strahlvorrichtung im Lufteinströmraum besteht. Eine Mischung von enthärtetem Wasser und einem Reinigungsmittel wird durch eine Vielfachanordnung von Spraydüsen eingespritzt, so daß ganz feiner Nebel entsteht, wel­ cher den angesammelten Schmutz von den Schaufeln wäscht.

Die beiden vorerwähnten Systemen besteht größte Gefahr, daß wäh­ rend des Waschvorganges die Schaufeln vereisen oder erodieren.

Die bisher wirksamste Methode zum Entfernen des Foulings besteht somit nach wie vor in einer Betriebsunterbrechung und Waschung der Teile.

Diese Methode ist selbstverständlich unbefriedigend, weil Be­ triebsunterbrechungen üblicherweise mit groben Kosten verbunden sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein effizientes und kostengünstiges Reinigungsverfahren zu konzipieren, mit welchem Fouling an der Be­ schaufelung des Gasturbinen-Kompressors und der Expansionsturbine sicher verhindert und gleichzeitig eine Erhöhung der Leistung er­ zielt wird.

Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst. Diese ist dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein geringer Anteil Wärmeenergie in Form eines Luftstromes vor dem Kühler abgezweigt und als Heißluftstrom über im Festgehäuse vorgesehene erste Zuführungskanäle durch das Innere von hohlen Leitschaufeln, und über in der Welle vorgesehene zweite Zuführungskanäle durch das Innere von hohlen Laufschaufeln der Ex­ pansionsturbine geleitet wird.

Mit der Erfindung ist es erstmals möglich, ohne Betriebsunterbre­ chung sowohl Fouling als auch Erosion der Leitschaufeln und der Laufschaufeln der Gasturbine sicher zu unterbinden. Dadurch er­ folgt eine beträchtliche Erhöhung der Lebensdauer der Anlage, zu­ dem wird die Anzahl notwendiger Betriebsunterbrechungen drastisch reduziert. Ein weiterer grober Vorteil besteht darin, daß damit auch eine Vereisung der Schaufeln der Expansionsturbine verhindert wird. Damit ist es möglich, Leistung, Wirkungsgrad und Betriebssi­ cherheit zu verbessern sowie die Lebensdauer der Turbinenanlage zu erhöhen. Konkret entsteht durch die Heizung der Vorteil, daß Ver­ eisung verhindert wird und daß die auf die Oberfläche der Schau­ feln auszentrifugierten Eispartikel bzw. unterkühlten Wassertröpf­ chen einen Wasserfilm bilden, der die Schmutzpartikel bzw. die or­ ganischen Partikel, die das Fouling hervorruft, wegschwemmt und somit Ablagerungen, also das Fouling, von der Entstehung her völ­ lig ausschließt. Der damit kombinierte Vorteil besteht in einer beträchtlichen Leistungssteigerung (innerhalb der zulässigen, vom jeweiligen Turbinenhersteller angegeben Grenzen).

Mit der Abwärme des Kühlers kann der vorgeschaltete äußere Luft­ filter eisfrei gehalten werden bzw. kann diese Wärme in einer kom­ binierten Gas-Dampfanlage durch Zufuhr an den Niedertemperaturbe­ reich des Dampfteiles zu einer weiteren Leistungssteigerung und Wirkungsgradverbesserung benützt werden. Dann erfolgt die Kühlung durch den Kondensat der Dampfanlage.

Im Rahmen der Erfindung ist jede Leitschaufel der Expansionstur­ bine des Turbinenaggregates mit einem Hohlraum in axialer Richtung ausgebildet, und als Heißluft-Zuführungsöffnung ist eine Bohrung vom Hohlraum radial durch den Schaufelfuß vorgesehen, und als Heißluft-Austrittsöffnungen sind Querbohrungen zum Hohlraum vorgesehen.

Die Einbindung dieser Leitschaufeln in das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet die Verhinderung von Fouling und Vereisung an diesen Schaufeln.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist jede Laufschaufel mit einem Hohlraum in axialer Richtung ausgebildet, und als Heiß­ luft-Zuführungsöffnung ist eine Bohrung vom Hohlraum radial durch den Schaufelfuß und durch die Nabe vorgesehen, und als Heißluft- Austrittsöffnungen sind Querbohrungen zum Hohlraum vorgesehen.

Die Einbindung dieser Laufschaufeln in das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet die Verhinderung von Fouling und Vereisung an diesen Schaufeln.

Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläu­ tert werden. Zu diesem Zweck ist in Fig. 1 das Prinzip des Gastur­ binenkreislaufes einer kombinierten Gas-Dampfturbinenanlage sche­ matisch, sowie in Fig. 2 eine Expansionsturbine ausschnittweise im Schnitt dargestellt.

Der Gasturbinenkreislauf lt. Fig. 1 ist jener Teil einer kombi­ nierten Gas-Dampfkraftturbinenanlage, für welchen das erfindungs­ gemäße Prinzip konzipiert wurde. Konkret werden die Schaufeln der Expansionsturbine 1 gegen Fouling und Vereisung geschützt. Für die Vorverdichtung (innerhalb der für einen sicheren Betrieb vom Tur­ binenhersteller vorgegebenen Grenzen ) sind ein Kompressor 34, ein Luftkühler 36 sowie die Expansionsturbine 1 angeordnet. Weiters sind für die eigentliche Gasturbine ein Gasturbinenkompressor 31, eine Brennkammer 32 sowie eine Gasturbine 33 nötig. Ein Generator 39 und ein Motor/Generator 40 vervollständigen diesen für die erfindungsgemäße Anwendung geeigneten Anlagenteil. Die Frischluft­ zufuhr zum Kompressor 34 erfolgt mittels einer Frischluftleitung 38, welche über ein Filter 41 geführt ist. Als Kühlmedium dient Speisewasser, welches durch die Speisewasserleitungen 37a bzw. 37b zum bzw. vom Luftkühler fließt. Vor dem Luftkühler 36 wird ein geringer Anteil Wärmeenergie in Form eines Luftstromes abgezweigt und als Heißluftstrom über eine Leitung 35 der Expansionsturbine 1 zur Schaufelreinigung zugeleitet.

Wie aus der Fig. 2 ersichtlich, ist eine Leitschaufel 2 des Leitrades der Expansionsturbine 1 mit dem Festgehäuse 10 starr verbunden. Eine Laufschaufel 3 des Laufrades sitzt mit der Nabe 7 auf der Welle 4 auf. Es sind Heißluft-Austrittsöffnungen 6 bzw. 17 in Form von Querbohrungen zum Hohlraum 5 bzw. 8 der Leitschaufel 2 bzw. der Laufschaufel 3 vorgesehen.

Ein in Form eines Luftstromes vor dem Kühler abgezweigter geringer Anteil Wärmeenergie wird als Heißluftstrom durch einen im Festge­ häuse 10 vorgesehenen ersten Zuführungskanal 11 über eine Zufüh­ rungsöffnung 13 dem Hohlraum 5 der Leitschaufel 2 zugeführt. Ein zweiter Zuführungskanal 12 für die Heißluft wird durch die Welle 4 geführt und reicht bis zu einer Zuführungsöffnung 14, welche ra­ dial durch die Nabe 7 und den Schaufelfuß 16 bis zum Hohlraum 8 der Laufschaufel 3 des Laufrades führt. Wie bei der Leitschaufel 2 sind auch bei der Laufschaufel 3 Heißluft-Austrittsöffnungen 17 vorgesehen.

Durch den ersten bzw. zweiten Zuführungskanal 11 bzw. 12 wird Heiß­ luft in die Hohlräume 5 bzw. 8 der Leitschaufel 2 bzw. der Lauf­ schaufel 3 eingeleitet. Durch die Austrittsöffnungen 6 bzw. 17 tritt die Heißluft wieder aus der Leitschaufel bzw. der Laufschau­ fel aus. Wesentlich dabei ist, daß diese Heißluft-Einleitung während des Betriebes der Turbinenanlage durchgeführt werden kann.

Die erfindungsgemäße Wirkung tritt dadurch auf, daß in den Hohl­ räumen 5 bzw. 8 der Leitschaufel 2 bzw. der Laufschaufel 3 die Heißluft umgelenkt und infolge der Fliehkraft auf die Innenwandung des Hohlraumes 5 bzw. 8 auftrifft und danach beidseitig in Rich­ tung der Welle durch die Austrittsöffnungen 6 bzw. 17 austritt. Dadurch kommt es zum einen zur Abschmelzung und Zertrümmerung von all fällig vorhandenen Eisschichten, zum anderen zum Ablösen und Mitreißen von Foulingpartikeln von den Schaufeloberflächen.

Durch die Erfindung ist es möglich, die immensen Materialschäden, die durch Fouling verursacht werden, sicher zu hintanzuhalten. Zu­ dem werden durch die Verhinderung von Eisbeschichtungen Leistung und Wirkungsgrad der Turbinenanlage erhöht. Insgesamt ergibt sich bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der Verwen­ dung der erfindungsgemäßen Leit- und Laufschaufeln für die Expan­ sionsturbine eine Leistungserhöhung von etwa von etwa 30% und eine Verbesserung des Wirkungsgrades zwischen 1 und 3%. Durch die Beheizung der hohlen Schaufeln kann die Anlage bis ungefähr minus 20°C gefahren werden.

Claims (3)

1. Verfahren zur Verhinderung von Fouling und zur Leistungsstei­ gerung durch Kühlung bis unter 0°C der Ansaugluft mittels eines Turbokühlaggregates, bestehend aus Kompressor, Kühler und Expan­ sionsturbine, vorgeschaltet der Gasturbine, dadurch gekennzeich­ net, daß ein geringer Anteil Wärmeenergie in Form eines Luftstro­ mes vor dem Kühler (36) abgezweigt und als Heißluftstrom über im Festgehäuse (10) vorgesehene erste Zuführungskanäle (11) durch das Innere (5) von hohlen Leitschaufeln (2), und über in der Welle (4) vorgesehene zweite Zuführungskanäle (12) durch das Innere (8) von hohlen Laufschaufeln (3) der Expansionsturbine (1) geleitet wird.

2. Leitrad zur Einbindung in das Verfahren nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß jede Leitschaufel (2) der Expansionstur­ bine (1) des Turbinenaggregates mit einem Hohlraum (5) in axialer Richtung ausgebildet ist, und daß als Heißluft-Zuführungsöff­ nung (13) eine Bohrung vom Hohlraum (5) radial durch den Schaufel­ fuß (15) vorgesehen ist, und daß als Heißluft- Austrittsöffnungen (6) Querbohrungen zum Hohlraum (5) vorgesehen sind.

3. Laufrad zur Einbindung in das Verfahren nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß jede Laufschaufel (3) mit einem Hohl­ raum (8) in axialer Richtung ausgebildet ist, und daß als Heiß­ luft-Zuführungsöffnung (14) eine Bohrung vom Hohlraum (8) radial durch den Schaufelfuß (16) und durch die Nabe (7) vorgesehen ist, und daß als Heißluft-Austrittsöffnungen (17) Querbohrungen zum Hohlraum (8) vorgesehen sind.