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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Gasturbine
mit einer Wassereinspritz-Verteilervorrichtung sowie auf ein Betriebsverfahren
derselben, wobei die Wassereinspritz-Verteilervorrichtung zur Durchführung einer
Verbrennung mit niedrigem NOx durch Wassereinspritzung in eine Brennkammer
in der industriellen Gasturbine im Betriebsverlauf und beim Anhalten
derselben dient und im einzelnen derart gestaltet ist, dass sie
zu mehreren Zwecken dient, nämlich
dass der Brennkammer zugeführtes
Wasser zur Reduzierung einer Verbrennungstemperatur daran gehindert
wird, in die Gasturbine zu gelangen, wobei ein Wasserkopf nach dem
Anhalten der Wasserzufuhr immer noch existiert, sowie zu verhindern,
dass ein Hochtemperatur-Hochdruck-Verbrennungsgas aus einem Turbinenzylinder
umgekehrt in den Wassereinspritz-Verteiler gelangt, dessen Innendruck
durch das Anhalten der Wasserzufuhr gesenkt wird, wenn es in einem
Abzugsventil zu einem sog. "Dust-Biting" kommt.
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Beschreibung des Standes
der Technik
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Um
eine Verbrennung mit niedrigem NOx in einer Öl-Monobrennstoff-Brennkammer oder einer
dualen Öl/Gasbrennstoff-Brennkammer
in einer industriellen Gasturbine durchzuführen, wird diese für gewöhnlich so durchgeführt, dass
eine Flammentemperatur durch Einmischen von Wasser in den Brennstoff
oder Einspritzen von Wasser in die Verbrennungszone reduziert wird.
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Als
Beispiel zur Reduzierung der Flammentemperatur in der Öl-Monobrennstoff-Brennkammer
hat der Anmelder bisher eine durch die japanische Patentanmeldung
Nr. Hei 11(1999)- 159756
mit dem Titel "Oil
firing DLN (Dry Low Nox)combustor" offenbart.
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Das
heißt,
eine Ölfeuerungs-Vorgemisch-DLN-Brennkammer
in einer Gasturbine umfasst eine Wassereinspritz-Steuervorrichtung zum Steuern der Strömungsrate
von in Brennstoff einzuspritzendem Wasser entsprechend der Brennstoffströmungsrate,
wobei ein Pilot-Brennstoffsystem sowie Hauptbrennstoffsysteme A,
B mit einem Brennstoff-Strömungssteuerventil
zur Brennstoffzufuhr und einem Wassereinspritzsystem in den Hauptbrennstoffsystemen
A, B einschließlich
eines Wasserströmungsdetektors
und eines Wassereinspritz-Strömungssteuerventils
vorgesehen sind, wodurch die Ventile über eine Wassereinspritz-Strömungssteuerschaltung
so gesteuert werden, dass die Wassereinspritzrate gesteuert wird.
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Bei
dieser Steuerschaltung werden ein Brennstoff-Strömungssteuersignal,
ein Signal der erfassten Wasserströmung und Signale eines geplanten
Werts für
den Turbinenzylinderdruck und für
den Einspritzwasser-Zuführdruck
eingegeben, so dass Ventilöffnungen
im Voraus in Proportion zu der Ölbrennstoff-Strömungsrate
berechnet werden und dann die so berechneten Werte durch ein Rückkoppelungssignal
von dem Detektor korrigiert werden. Somit werden die Ventile derart
gesteuert, dass die Wassereinspritzrate rasch entsprechend der Ölbrennstoff-Strömungsrate
gesteuert und die durch die Verbrennung erzeugte NOx-Menge reduziert
werden kann.
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Als
nächstes
wird eine NOx-Reduktion in einer Diffusionsbrennkammer einer flüssigen Monobrennstoff-Gasturbine oder einer
dualen Flüssigkeits-/Gasbrennstoff-Gasturbine nach dem
Stand der Technik mit Bezug auf die 3 bis 5 beschrieben. 3 ist
eine Teilansicht der Gasturbine mit einem Wassereinspritz-Verteiler
nach dem Stand der Technik, wobei eine obere Hälfte der 3 eine
Schnittansicht zeigt und eine untere Hälfte derselben eine Ansicht
von außen
zeigt. In 3 ist ein Wassereinspritz-Verteiler 2 vorgesehen,
der durch ein Hauptrohr in einem Ring von 5 bis 6 m Durchmesser,
der einen zylindrischen Turbinenkörper nahe mehreren Brennkammern 1 umgibt,
gebildet ist. Die Brennkammern 1 sind in über zehn
Stück bis über zwanzig
Stück in
der Turbinenumfangsrichtung angeordnet, und beim Betrieb wird Wasser
in Flammen in jeder der Brennkammern 1 eingespritzt, so
dass die Verbrennungstemperatur gesenkt wird, wodurch die Entstehung
von NOx in der Brennkammer 1 verringert wird.
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4 ist
ein Blockdiagramm eines Wassereinspritz-Verteilers 2. Wie dort gezeigt
ist, ist ein Wasserzuführrohr
mit dem Wassereinspritz-Verteiler 2 verbunden. Ein Luftdruckrohr 4 ist
direkt mit dem Wasserzuführrohr 3 verbunden,
und ein Drainagerohr 5 sowie mehrere Verzweigungsrohre 6 sind
ebenfalls mit dem Wasserzuführrohr 3 über den
Wassereinspritz-Verteiler 2 verbunden. Das Wasserzuführrohr 3 dient
zum Zuführen
von Hochdruckwasser mit einem Druck von nicht weniger als 53 bis
70 kg/cm2g durch dieses, was einem Gesamtdruck
eines Düsen-Differentialdrucks
von etwa 40 bis 50 kg/cm2g für Wasserlöcher 16 kleinen Durchmessers,
die später
mit Bezug auf 6 zu beschreiben sind, und einem
Verbrennungsgasdruck von 13 bis 20 kg/cm2g
in der Brennkammer 1 und in dem Turbinenzylinder entspricht.
Durch eine solche Anordnung wird Wasser von dem Wassereinspritz-Verteiler 2 in
Flammen in der Brennkammer 1 eingespritzt, um eine adiabatische
Flammentemperatur zu senken und dadurch die NOx-Menge im Verbrennungsgas,
wie oben erwähnt
wurde, zu reduzieren, wobei, während
die Gasturbine angehalten wird bzw. ist, das Wasser in dem Wassereinspritz-Verteiler 2 abgeführt wird.
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Eine
Wassereinspritzpumpe 7, ein Strömungssteuerventil 8 und
ein Abschaltventil 9 sind in das Wasserzuführrohr 3 eingefügt. Ein
Durchspülungsluft-Zuführventil 10 und
ein Rückschlagventil 11 sind
in das Druckluftrohr 4 eingefügt, so dass Druckluft durch
das Druckluftrohr 4 als Durchspülungsluft zum Verhindern eines
Verstopfens bzw. Zusetzens der Wasserlöcher eingeleitet werden kann.
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Das
Abzugsrohr 5, auf dessen Weg ein Abzugsventil 12 eingefügt ist,
ist mit einem unteren Endabschnitt des Wassereinspritz-Verteilers 2 verbunden,
so dass Wasser in dem Wassereinspritz-Verteiler 2 abgezogen
werden kann, wenn keine Wassereinspritzung in die Brennkammer 1 benötigt wird.
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Zwischen
dem Wassereinspritz-Verteiler 2 und jeder der Brennkammern 1 ist
das Verzweigungsrohr 6 von über zehn mm Durchmesser vorgesehen,
wobei kein Ventil oder dgl. speziell darin eingefügt ist.
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Wie
aus der Beschreibung einer Einspritzdüse 17 unter Bezugnahme
auf 6 hervorgeht, kann bei Anhalten eines Ölfeuerungsvorgangs Öl an der
Einspritzdüse 17 nach
unten zu den Wasserlöchern 16 wandern,
um unter einer Umgebung hoher Temperatur zu verkoken bzw. zu verkohlen,
was zu einem Zusetzen bzw. Verstopfen der Wasserlöcher 16 führen kann.
Um das Zusetzen zu verhindern, wenn der Ölfeuerungsvorgang angehalten
wird, wird das Durchspülungsluft-Zuführventil 10 geöffnet, so
dass der Ölbrennstoff,
der zu den Wasserlöchern 16 gewandert
ist, in die Brennkammer 1 ausgeblasen werden kann.
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Für gewöhnlich wird
bei der vorbekannten Wassereinspritzvorrichtung nach obiger Beschreibung
der Betrieb so vorgenommen, dass bei Zündung der Gasturbine die Wassereinspritzung
bei Null-Last oder bei einer bestimmten geringen Last gestartet
wird und die Wasserzufuhr erhöht
wird, wenn sich die Last erhöht,
wodurch die adiabatische Gasturbinen-Flammentemperatur gesenkt wird
und die ausgelassene NOx-Menge so gering und gleichmäßig wie
möglich
gehalten wird, da die NOx-Menge zunimmt, wenn die adiabatische Flammentemperatur
steigt.
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Wenn
andererseits die Gasturbine angehalten wird, wird bei Abnahme der
Last von der vollen Last die Wasserzufuhr reduziert, und sobald
der Brennstoff gestoppt wird, wird das Abzugsventil 12 geöffnet, so
dass in dem Wassereinspritz-Verteiler 2 verbleibendes
Wasser unmittelbar durch den Druck von 6 bis 10 kg/cm2g des
in der Brennkammer 1 und dem Turbinenzylinder verbleibenden
Verbrennungsgases abgeführt
werden kann.
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5 ist
eine graphische Darstellung von Beispielen einer Wärmezufuhr
flüssigen
Brennstoffs und einer Wärmezufuhr
von Gasbrennstoff gemäß einem
Lastzustand in der Gasturbine der 3. Die obige
Arbeitsweise der Wassereinspritzvorrichtung wird im folgenden mit
Bezug auf 5 beschrieben.
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In
dem Fall, in dem die Gasturbine unter keiner Last beim Zünden bis
zur vollen Last lediglich durch Ölfeuerung
betrieben wird, wie durch den rechten Pfeil entlang der Horizontalachse
gezeigt ist, wird die Wasserzufuhr von einem Punkt a bei Null-Last
zu einem Punkt e bei voller Last erhöht, wenn die Wärmezufuhr
des flüssigen
Brennstoffs erhöht
wird, d.h. die Wasserzufuhr wird bei zunehmender Ölfeuerungslast
erhöht,
beispielsweise a →b →c →d →e, und in
dem Fall, in dem die Last von der vollen Last gesenkt wird, wie
durch den linken Pfeil entlang der Horizontalachse gezeigt ist,
wird die Wasserzufuhr bei abnehmender Last reduziert, wie z.B. e →d →c →b →a.
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Ferner
wird in dem Fall, in dem die Gasturbine durch Öl- und Gasfeuerung betrieben wird, (i)
in einem Fall der Gasfeuerungsvorgang von Null-Last zu einer bestimmten
Last, beispielsweise einer B-Last vorgenommen, und dann wird der
Vorgang bis zur vollen Last mit Ölfeuerung
fortgesetzt, d.h. die Wasserzufuhr wird erhöht, wenn sich die Last erhöht, wie
z.B. g →h →i, und in
dem Fall, in dem die Last von der vollen Last zur Null-Last gesenkt
wird, wie z.B. i →h →g, wird
die Ölbrennstoff-Wärmezufuhr
zuerst reduziert, so dass die Last von der vollen Last zur B-Last
gesenkt wird, anschließend
wird die Gasbrennstoff-Wärmezufuhr
so reduziert, dass die Last von der B-Last zur Null-Last und die
Wasserzufuhr entsprechend einer solchen Lastminderung reduziert
wird, oder (ii) als alternativer Fall wird die Last, bei beschleunigter
Gasturbine nach einer Gaszündung von
einer Null-Last zur vollen Last durch die Öl- und Gasfeuerung erhöht, wie
z.B. g→f →k, und die
Wasserzufuhr wird entsprechend einer solchen Lastzunahme erhöht, und
im Fall des Absenkens der Last von der vollen Last zur Null-Last,
wie z.B. k →f →g, wird
die Wasserzufuhr entsprechend reduziert.
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Es
ist anzumerken, dass in 5 der Punkt k bei voller Last
einen Fall zeigt, bei dem die Gasbrennstoff-Wärmezufuhr 70% beträgt, und
die Wärmezufuhr
von flüssigem
Brennstoff 30%, und während
dieses Verhältnis
der Wärmezufuhr
frei verändert
werden kann, wenn die Wirtschaftlichkeit o.dgl. in Betracht gezogen wird,
wird das Verhältnis
der Gasbrennstoff-Wärmezufuhr
zur Wärmezufuhr
flüssigen
Brennstoffs bei voller Last für
gewöhnlich
im Bereich. von 70/30 bis 30/70 eingestellt.
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6 ist
eine Ansicht zur Darstellung eines Beispiels einer Einspritzdüse der Brennkammer 1,
wobei 6(a) eine Teil-Längsschnittansicht
ist, und 6(b) eine halbe Vorderansicht
ist. Die Einspritzdüse 17 zum Einspritzen
von Wasser in die Brennkammer 1 ist wie folgt aufgebaut.
Ein Ölloch 14 ist
in einem axialen zentralen Abschnitt der Einspritzdüse 17 vorgesehen,
wobei das Ölloch 14 zum
Einspritzen von Ölbrennstoff
zusammen mit Luft dient, die von einer Primär-Verwirbelungsvorrichtung
und einer Sekundär-Verwirbelungsvorrichtung
(beide nicht dargestellt) verwirbelt wird, in die Brennkammer 1 eingespritzt
wird. In der Umgebung des Öllochs 14 sind
vier Wasserlöcher 16 zum
Einspritzen von Wasser mit gleichen umfangsmäßigen Abständen zwischen jedem der Wasserlöcher 16 vorgesehen.
Entlang eines weiteren Außenumfangs
des Öllochs 14 sind zwölf Gaslöcher 13 mit
gleichen Abständen
zwischen diesen so vorgesehen, dass sie sich zur Brennkammer 1 hin öffnen, und
längs einem äußersten
Umfang der Einspritzdüse 17 ist
eine Verwirbelungsvorrichtung (nicht dargestellt) vorgesehen, um
vor der Einspritzdüse 17 brennenden
Flammen Verwirbelungskraft zu vermitteln.
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Vorstehend
wurde eine Beschreibung zum Stand der Technik für das Einspritzen von Wasser
in die Brennkammer 1 zur Reduzierung der Flammentemperatur
gemacht, wodurch eine geringe NOx-Erzeugung in einer Gasturbine
mit dem Wassereinspritz-Verteiler 2 und der Einspritzdüse 17 realisiert
wird, d.h., bei dem vorbekannten Wassereinspritz- Verteiler wird die Strömungsrate
des an der Wassereinspritzpumpe 7 druckbeaufschlagten Wassers
durch das Strömungssteuerventil 8 gesteuert,
so dass es über
das Abschaltventil 9 in den Wassereinspritz-Verteiler 2 eintritt
und ferner in jede der Einspritzdüsen 17 über jedes
der Verzweigungsrohre 6 eintritt, so dass es in jede der
Brennkammern 1 mit der der Gasturbinenlast entsprechenden
Menge eingespritzt wird. Somit wird die hohe Flammentemperatur in
der Brennkammer 1 gesenkt und die NOx-Menge im Verbrennungsgas
reduziert.
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Während der
obigen Wassereinspritzung, bei der der Wassereinspritz-Verteiler 2 nicht
weniger als 5 bis 6 m hoch ist und ein Wasserkopf von 5 bis 6 m
zwischen einem oberen Ende und einem unteren Ende des Wassereinspritz-Verteilers 2 auftritt,
ist der Düsen-Differentialdruck
nicht geringer als 40 bis 50 kg/cm2g, und das
zugeführte
Wasser wird beim Betrieb genügend
zerstäubt.
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Darüberhinaus
wird beim Anhalten der Gasturbine das Abschaltventil 9 daraufhin
geschlossen und das Abzugsventil 12 geöffnet, wodurch Restwasser in
dem Wassereinspritz-Verteiler 2 gleichzeitig
und parallel mit der Betriebseinstellung unter Verwendung von Restdruck
in dem Turbinenzylinder abgeführt
wird.
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Bei
dem erwähnten
vorbekannten Wassereinspritz-Verteiler,
der in der jüngsten Öl-Monobrennstoff-Gasturbine
und der dualen Öl/Gasbrennstoff-Gasturbine
verwendet wird, tauchen jedoch die folgenden technischen Probleme
auf. Das heißt,
das von dem Abzugsventil 12 abgezogene Wasser wird oft
in einen Seitendamm o.dgl. ausgetragen, und aus diesem Grund kommt
es manchmal zu einer Verätzung
durch Staub (dust biting) in dem Abzugsventil 12 beim Austragen
des abgezogenen Wassers, und wenn ein solches „dust biting" im Abzugsventil 12 auftritt,
wird ein kleiner Durchgang gebildet, der mit Außenluft in der Abzugsleitung in
Verbindung steht.
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Während die
Gasturbine mit Durchführung
der Wassereinspritzung betrieben wird, ist der Innendruck des Wassereinspritz-Verteilers 2 ausreichend
höher als
der Innendruck von 10 bis 12 kg/cm2g des
Turbinenzylinders, womit auch dann, wenn eine kleine Wassermenge
durch einen solchen kleinen Durchgang der Abzugsleitung leckt, dies
nicht notwendigerweise ein ernstes Problem darstellen muss. Wenn
die Wassereinspritzung jedoch aus irgendeinem Grund während des
Betriebs mit einer bestimmten Last angehalten wird, sinkt der Innendruck
des Wassereinspritz-Verteilers 2 rasch ab und das Hochtemperatur-Hochdruck-Verbrennungsgas
in dem Turbinenzylinder kann umgekehrt über die Verzweigungsrohre 6 infolge
des Innendrucks von 10 bis 12 kg/cm2g des
Turbinenzylinders in den Wassereinspritz-Verteiler 2 strömen, wodurch
ein eruptives Bersten des Wassereinspritz-Verteilers 2 verursacht
wird.
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Als
weiteres Problem muss ferner im Fall der Zeiteinstellung des Wassereinspritzstarts/-stopps
auf eine bestimmte Last, beispielsweise auf 1/4-Last, wenn die Wassereinspritzung
angehalten wird, der Abzugsvorgang des Wassereinspritz-Verteilers 2 abgewartet
werden, bis ein Null-Lastzustand
eintritt, wie oben erwähnt
wurde, bei dem die Temperatur und der Druck in dem Turbinenzylinder
genügend
gesunken sind, was zu einer Einschränkung der freien Gestaltung
des Betriebs führt.
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Wenn
ein solcher Einspritzstop und Abzug nicht gleichzeitig ausgeführt werden,
wird das Wasser außerdem
nicht genügend
durch den Wasserkopf des Wassereinspritz-Verteilers 2 während einer
so geringen Zeitdifferenz zerstäubt
und strömt
in einen inneren unteren Abschnitt der Gasturbine, eine Erscheinung,
die in einer konkreten Gasturbine zu beobachten war. Falls der Start/das
Anhalten der Gasturbine unter solchen Umständen wiederholt werden, werden
die Brennkammer 1 und der umgebende Abschnitt der Gasturbinen-Leitschaufeln
der ersten Stufe wiederholt rasch erhitzt und abgekühlt, wobei
starke Wärmeschocks
verursacht werden, so dass der Hochtemperaturabschnitt der Gasturbine
beschädigt
werden kann.
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EP-A-0
949 454 offenbart eine Gasturbine, die mit flüssigem Brennstoff oder gasförmigem Brennstoff arbeiten
kann, und die ein Wassereinspritzsystem mit einem Wassereinspritz-Verteiler
umfasst, der mit Wasser, das zusammen mit flüssigem Brennstoff in eine Brennkammer
der Gasturbine einzuspritzen ist, gefüllt werden kann, um eine Verbrennungsgastemperatur
zur NOx-Senkung abzusenken. Die Gasturbine umfasst ferner einen
separaten Wassereinspritz-Reinigungsverteiler
zum Durchspülen
des Zuführsystems
flüssigen
Brennstoffs und des Wassereinspritzsystems, wenn die Turbine auf
die Verbrennung gasförmigen
Brennstoffs umgeschaltet wird.
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ABRISS DER ERFINDUNG
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In
Anbetracht der Probleme bei vorbekannten Wassereinspritz-Verteilern
zum Einspritzen von Wasser in die Brennkammer zum Absenken der adiabatischen
Flammentemperatur der Gasturbine und dadurch zur Reduzierung der
NOx-Menge im Verbrennungsgas, wobei diese Probleme in einer Möglichkeit
eines eruptiven Zerberstens des Wassereinspritz-Verteilers durch
eine umgekehrte Strömung
des Hochtemperatur-Hochdruck-Verbrennungsgases
infolge einer Druckminderung im Fall eines sog. „dust biting" im Abzugsventil
bestehen, einer Notwendigkeit, auf den Abzugsvorgang bis zum Null-Lastzustand
in dem Fall zu warten, in dem das Timing des Wassereinspritzstarts/-stopps
auf eine bestimmte Last eingestellt ist, einer Möglichkeit der Beschädigung des
Gasturbinen-Hochtemperaturabschnitts durch das nicht genügend zerstäubte Wasser,
wenn der Wassereinspritzstopp und die Drainage nicht gleichzeitig
ausgeführt
werden, etc., bestehen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Vielzweck-Wassereinspritz-Verteilervorrichtung
mit Mehrfachfunktion bereitzustellen, wie z.B. dem Verhindern des
eruptiven Zerberstens des Wassereinspritz-Verteilers auch im Fall
eines „dust
biting" im Abzugsventil,
einem Ermöglichen
des Abzugsvorgangs gleichzeitig mit dem Anhalten der Wassereinspritzung,
ohne. auf einen Null-Last-Zustand zu warten, selbst wenn das Timing
des Wassereinspritzstarts/-stopps auf eine bestimmte Last eingestellt
ist, und dem Vermeiden einer Beschädigung des Gasturbinen-Hochtemperaturabschnitts
auch dann, wenn der Wassereinspritzstopp und die Drainage nicht
gleichzeitig durchgeführt
werden.
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Um
die obige Aufgabe zu erfüllen,
stellt die vorliegende Erfindung eine Gasturbine mit einer multifunktionalen
Wassereinspritz-Verteilervorrichtung bereit, wie sie in Anspruch
1 definiert ist und wie sie gemäß den folgenden
Punkten (1) und (2) aufgebaut ist
- (1) Es wird
ein Luftverbindungsmittel mit einem Luft-Belüftungsrohr
und einem Luft-Belüftungsventil
an einem oberen Abschnitt eines Wassereinspritz-Verteilers vorgesehen,
der mit in eine Brennkammer einzuspritzendem Wasser gefüllt ist,
wobei das Luftverbindungsmittel dazu dient, den Wassereinspritz-Verteiler mit
der Luft kommunizieren zu lassen, indem das Luft-Belüftungsventil
geöffnet
wird, wenn das Wasser in dem Wassereinspritz-Verteiler abzuziehen
ist.
- (2) Es wird ein Druckminderungsventil bereitgestellt, das in
ein Zweigrohr zum Zuführen
von Wasser von dem Wassereinspritz-Verteiler zu der Brennkammer
eingefügt
ist, wobei das Druckminderungsventil das Wasser in dem Wassereinspritz-Verteiler
frei zu der Brennkammer strömen
lassen kann, wenn ein Differentialdruck zwischen dem Wassereinspritz-Verteiler
und der Brennkammer ein vorbestimmter Druck oder höher ist,
sowie zum Trennen einer Verbindung zwischen dem Wassereinspritz-Verteiler
und der Brennkammer, wenn der Differentialdruck geringer ist als
der vorbestimmte Druck, wodurch beispielsweise nicht genügend zerstäubtes Wasser
daran gehindert werden kann, aus dem Wassereinspritz-Verteiler zu
der Brennkammer zu strömen,
wenn der Differentialdruck niedriger wird als der Wasserkopf in,
dem Wassereinspritz-Verteiler.
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Durch
den erwähnten
Aufbau der multifunktionalen Wassereinspritz-Verteilervorrichtung
der Gasturbine der vorliegenden Erfindung kann auch dann, wenn das
Timing des Wassereinspritzstarts/-stopps auf eine bestimmte Last
eingestellt ist, die Wassereinspritzung zum Senken der Flammentemperatur
in der Brennkammer während
eines Lastbetriebs der Gasturbine angehalten werden und dann eine Drainage
des Wassereinspritz-Verteilers unmittelbar vorgenommen werden, ohne
auf den Null-Lastzustand der Temperatur und des Drucks in der Brennkammer
und dem Turbinenzylinder warten zu müssen.
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Das
heißt,
dass auch dann, wenn die Wassereinspritzung während eines Lastbetriebs der
Gasturbine angehalten wird und eine Drainage des Wassereinspritz-Verteilers
unmittelbar vorgenommen werden muss, der Wassereinspritz-Verteiler
durch Öffnen
des Luft-Belüftungsventils
zum Kommunizieren mit der Außenluft gebracht
wird und die Drainage natürlich
durch die Schwerkraft von Wasser mittels Öffnung des Abzugsventils vorgenommen
werden kann, ohne die Notwendigkeit, auf einen Null-Lastzustand
warten zu müssen.
Auch wenn es zu einem „dust
biting" in dem Abzugsventil
kommt, was den Druck in dem Wassereinspritz-Verteiler senkt, wird
durch das Druckminderungsventil verhindert, dass Hochtemperatur-Hochdruckverbrennungsgas
in der Brennkammer und dem Turbinenzylinder umgekehrt zu dem Wassereinspritz-Verteiler
strömt,
wobei die eruptive Beschädigung
des Wassereinspritz-Verteilers
durch das so umgekehrt strömende
Verbrennungsgas verhindert werden kann.
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Auch
wenn die Drainage des Wassereinspritz-Verteilers unmittelbar nach
dem Anhalten der Wassereinspritzung vorgenommen wurde, während die
Gasturbine in Betrieb ist, kann die Durchspülungsfunktion der Wasserlöcher vorgenommen
werden, ohne auf die Drainage nach dem Anhalten der Gasturbine warten
zu müssen.
Somit wird der Durchspülungsvorgang
vorgenommen, sobald der Feuerungsvorgang mit flüssigem Brennstoff angehalten
ist, und der flüssige
Brennstoff wird an einem Wandern in die sich nahe dem Ölloch öffnenden
Wasserlöcher
gehindert, so dass ein Verkoken des flüssigen Brennstoffs, das ein
Zusetzen der Wasserlöcher
bewirkt, sicher verhindert werden kann.
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Wenn
ferner der Differentialdruck zwischen dem Wassereinspritz-Verteiler
und der Brennkammer kleiner wird als der Wasserkopf des mit Wasser
gefüllten
Wassereinspritz-Verteilers,
wird die Verbindung zwischen dem Wassereinspritz- Verteiler und der Brennkammer kraftschlüssig mittels
einer in dem Druckminderungsventil vorgesehenen Feder geschlossen.
Damit wird verhindert, dass das durch den erwähnten Wasserkopf nicht genügend zerstäubte Wasser
vom Wassereinspritz-Verteiler in die Brennkammer strömt, um mit dem
Hochtemperaturabschnitt der Brennkammer und der Leitschaufel der
ersten Stufe in Kontakt zu kommen, wodurch die Wärmeschocks, die in dem Hochtemperaturabschnitt
verursacht werden, vermieden werden können und eine Beschädigung des
Hochtemperaturabschnitts verhindert wird.
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Gemäß der multifunktionalen
Wassereinspritz-Verteilervorrichtung
der vorliegenden Erfindung nach obiger Beschreibung kann die Wassereinspritzung
zur NOx-Reduktion angehalten werden, ohne den Gasturbinen-Hochtemperaturabschnitt
bei irgendeinem Lastbetrieb einer Gasturbine mit flüssigem Monobrennstoff oder
einer Gasturbine mit dualem Flüssigkeits-/Gasbrennstoff
zu beschädigen,
wodurch der Betriebsbereich der Wassereinspritzung in die Gasturbine
erheblich vergrößert wird.
Da ferner der Hochtemperaturabschnitt in keinem Fall beschädigt wird,
können
die Wartungs- und Reparaturkosten verringert werden und es können erhebliche
Einsparungen erzielt werden.
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Die
Drainage des Verteilers und der Durchspülungsvorgang der Wasserlöcher, die
für gewöhnlich bei der
Gasturbine benötigt
werden, können
außerdem
sicher ohne Wartezeit auch in dem Fall eines Anhaltens des Gasturbinen-Lastbetriebs
vorgenommen werden, wodurch ein Verkoken des flüssigen Brennstoffs in den Wasserlöchern nicht
vorkommt und ein stabiler Betrieb realisiert wird.
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Somit
kann bei der multifunktionalen Wassereinspritz-Verteilervorrichtung der vorliegenden
Erfindung das Timing des Wassereinspritzstarts/-stopps frei gewählt werden,
und es kann eine bemerkenswerte Wirkung hinsichtlich der Sparsamkeit,
Zuverlässigkeit
und des sicheren Betriebs der flüssigen
Monobrennstoff-Gasturbine oder der dualen Flüssigkeits-/Gasbrennstoff-Gasturbine
erzielt werden.
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Ferner
stellt die vorliegende Erfindung ein Betriebsverfahren einer multifunktionalen
Wassereinspritzvorrichtung mit den im folgenden aufgeführten Schritten
(3) bis (5) bereit:
- (3) Während sich eine Gasturbine
im Lastbetrieb befindet, wird ein Wassereinspritz-Verteiler, der
mit in eine Brennkammer einzuspritzendem Wasser gefüllt ist,
zum Kommunizieren mit der Luft durch ein Luftkommunikationsmittel
gebracht, das an einem oberen Abschnitt des Wassereinspritz-Verteilers vorgesehen
ist,
- (4) Abführen
des Wassers indem Wassereinspritz-Verteiler durch Öffnen eines Abführventils über eine
Abführleitung,
die an einem Bodenabschnitt des Wassereinspritz-Verteilers vorgesehen
ist, und
- (5) wenn ein Abschaltventil geschlossen wird und der Druck in
der Brennkammer höher
ist als derjenige im Wassereinspritz-Verteiler, verhindern, dass
Verbrennungsgas umgekehrt von der Brennkammer zum Wassereinspritz-Verteiler
strömt,
mittels eines Druckminderungsventils, das in ein Verzweigungsrohr
zur Kommunikation des Wassereinspritz-Verteilers mit der Brennkammer eingefügt ist,
sowie Verhindern, dass das Wasser in dem Wassereinspritz-Verteiler
zu der Brennkammer strömt,
und ebenso durch das Druckminderungsventil, wenn ein Differentialdruck
zwischen dem Wassereinspritz-Verteiler und der Brennkammer niedriger
ist als ein vorbestimmter Druck, wodurch die Drainage des Wassereinspritz-Verteilers
vorgenommen werden kann, ohne auf einen Null-Lastzustand zu warten,
auch wenn die Wassereinspritzung zur NOx-Reduktion während irgendeines
Lastbetriebs der Gasturbine gestoppt ist bzw. wird.
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Gemäß dem Betriebsverfahren
einer multifunktionalen Wassereinspritz-Verteilervorrichtung der
vorliegenden Erfindung mit den obengenannten Schritten kann die
gleiche Funktion und die gleiche Wirkung wie die in bezug auf die
multifunktionale Wassereinspritz-Verteilervorrichtung der vorliegenden
Erfindung angegebene erzielt werden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm zur Darstellung einer multifunktionalen Wassereinspritz-Verteilervorrichtung einer
Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung,
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2 eine
Längsschnittansicht
eines Druckminderungsventils, das bei der Ausführungsform der 1 verwendet
wird,
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3 eine
Ansicht zur Teildarstellung einer Gasturbine mit flüssigem Mono-Brennstoff
oder einer Gasturbine mit dualem Flüssigkeits-Gasbrennstoff mit
einem Wassereinspritz-Verteiler nach dem Stand der Technik, wobei
eine obere Hälfte
der 3 eine Schnittansicht und eine untere Hälfte der 3 eine
Außenansicht zeigt,
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4 ein
Blockdiagramm zur Darstellung des Wassereinspritz-Verteilers nach
dem Stand der Technik,
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5 eine
graphische Darstellung von Beispielen einer Wärmezufuhr flüssigen Brennstoffs
und einer Wärmezufuhr
von Gasbrennstoff gemäß einem
Lastzustand in der Gasturbine der 3,
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6 eine
Ansicht zur Darstellung einer Brennstoffdüse einer Brennkammer nach dem
Stand der Technik, wobei 6(a) eine
Teil-Längsschnittansicht
ist, und 6(b) eine halbe Vorderansicht
ist.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachstehend
wird eine Ausführungsform
einer multifunktionalen Wassereinspritz-Verteilervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben.
Es ist anzumerken, dass in den 1 und 2 gleiche
oder ähnliche
Teile wie diejenigen des in 4 gezeigten
vorbekannten Wassereinspritz-Verteilers mit den gleichen Bezugsziffern
versehen sind und eine Beschreibung derselben wegfällt. 1 ist
ein Blockdiagramm zur Darstellung einer multifunktionalen Wassereinspritz-Verteilervorrichtung
der Ausführungsform
gemäß der vorliegenden
Erfindung, und 2 ist eine Längsschnittansicht eines Druckminderungsventils,
das in der Ausführungsform
von 1 eingesetzt wird.
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In 1 umfasst
eine multifunktionale Wassereinspritz-Verteilervorrichtung 50 der
vorliegenden Ausführungsform
einen Wassereinspritz-Verteiler 51, der von einem Hauptrohr
in einem Ring von 5 bis 6 m Durchmesser, welcher einen zylindrischen
Turbinenkörper
wie bei dem vorbekannten Wassereinspritz-Verteiler 2 gemäß 3 umgibt,
gebildet ist. Zwischen dem Wassereinspritz-Verteiler 51 und
den mehreren Brennkammern 1 sind mehrere Verzweigungsrohre 6,
von denen jedes in der vorliegenden Ausführungsform 15 mm Durchmesser
aufweist, vorgesehen, so dass jede der Brennkammern 1 mit
dem Wassereinspritz-Verteiler 51 über die betreffenden Verzweigungsrohre 6 verbunden
ist.
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Der
grundlegende Aufbau des Wassereinspritz-Verteilers 51 der
vorliegenden Ausführungsform
ist zwar der gleiche wie derjenige des vorbekannten Wassereinspritz-Verteilers 2,
die multifunktionale Wassereinspritz-Verteilervorrichtung 50 zeichnet
sich jedoch dadurch aus, dass sie ferner ein Luft-Belüftungsrohr 52 aufweist,
das mit einem oberen Abschnitt des Wassereinspritz-Verteilers 51 verbunden
ist, sowie ein Luft-Belüftungsventil 53,
das in das Luft-Belüftungsrohr 52 eingefügt ist,
sowie mehrere Druckminderungsventile 54, die jeweils in
die betreffenden Verzweigungsrohre 6 eingefügt sind.
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Durch
den obigen Aufbau der multifunktionalen Wassereinspritz-Verteilervorrichtung 50 wird
die Drainage des Wassereinspritz-Verteilers 51 der vorliegenden
Erfindung natürlich
durch die Schwerkraft von Wasser unabhängig von dem Zustand des Verbrennungsgases
im Turbinenzylinder durchgeführt,
während
die Drainage des Wassereinspritz-Verteilers 2 nach dem
Stand der Technik durch das Hochdruck-Verbrennungsgas im Turbinenzylinder
durchgeführt
wird. Mit anderen Worten wird auch dann, wenn das Timing des Wassereinspritzstarts/ stopps
auf eine bestimmte Last eingestellt ist, der Druck im Turbinenzylinder
durch das Druckminderungsventil 54 blockiert, und die Drainage
kann vorgenommen werden, ohne auf einen Null-Lastzustand zu warten,
bei dem die Temperatur und der Druck im Turbinenzylinder reduziert
sind, wobei sowohl das Luft-Belüftungsventil 53 als
auch das Abzugsventil 12 geöffnet sind.
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Das
Druckminderungsventil gemäß 2 umfasst
einen Ventilabschnitt 55 zum Öffnen und Schließen eines
das Ventil durchsetzenden Durchgangs und eine Feder 56,
die auf den Ventilabschnitt 55 einwirkt und so aufgebaut
ist, dass Flüssigkeit
oder Gas nicht umgekehrt durch diesen von der Seite der Brennkammer 1 zur
Seite des Wassereinspritz-Verteilers 51 strömen kann.
Somit kann auch in dem Fall, in dem die Wassereinspritzung bei einer
bestimmten Last angehalten wird, das Hochtemperatur-Hochdruck-Verbrennungsgas
im Turbinenzylinder nicht in den Wassereinspritz-Verteiler 51 eindringen
und die Drainage kann vorgenommen werden, ohne auf einen Null-Lastzustand
zu warten, und es besteht auch keine Befürchtung, dass es durch ein
umgekehrtes Strömen
des Verbrennungsgases in den Wassereinspritz-Verteiler 51 zu
dessen eruptivem Zerbersten kommt.
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Da
ferner der Wassereinspritz-Verteiler 51 ein großer Ring
von 5 bis 6 m Durchmesser ist, wie schon erwähnt wurde, entsteht ein Differentialdruck
entsprechend dem Wasserkopf zwischen dem oberen Abschnitt und dem
unteren Abschnitt des Wassereinspritz-Verteilers 51, und
um diesen Differentialdruck zu kompensieren, d.h. 0,5 bis 0,6 kg/cm2g, hat die Feder 56 eine dementsprechende
Druckkraft, die auf den Ventilabschnitt 55 einwirkt. Wenn
die Wassereinspritzung angehalten wird oder das Sperrventil 9 geschlossen
wird und trotzdem die Drainage des Wassereinspritz-Verteilers 51 nicht
gleichzeitig vorgenommen wird, kommt es somit zu der Erscheinung,
dass das nicht genügend
zerstäubte
Wasser in den unteren Abschnitt der Gasturbine durch den Wasserkopf
strömt,
was verhindert werden kann, so dass es nicht zu dem Fall kommt,
bei dem die Brennkammer 1 und die Umgebungen der Leitschaufeln
der ersten Stufe durch das nicht genügend zerstäubte Wasser rasch abgekühlt werden,
und der Schaden infolge starker Wärmeschocks vermieden werden
kann.
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Wie
mit Bezug auf 6 beschrieben wurde, weist die
Einspritzdüse 17 für die Wassereinspritzung das Ölloch 14 in
dem axialen Zentralabschnitt der Düse auf, wobei die Wasserlöcher 16 das Ölloch 14 und
die Gaslöcher 13 am äußersten
Umfangsabschnitt umgeben.
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Wenn
der Betrieb durch Ölfeuerung
gestoppt wird, wandert somit Ölbrennstoff
nach unten, um insbesondere in das unterste Wasserloch 16 einzudringen
und dort unter der Hochtemperaturumgebung zu verkohlen, wobei eine
Möglichkeit
besteht, dass sich die Wasserlöcher 16 zusetzen.
Folglich wird bei Anhalten der Wassereinspritzung die Drainage durchgeführt, und
dann wird das Durchspülungsluft-Zuführventil 10 geöffnet, so
dass die Spülluft
von etwa 7 kg/cm2g Druck in die Wasserlöcher 16 eingeleitet
wird. Dadurch wird der Ölbrennstoff,
der in die Wasserlöcher 16,
insbesondere in das unterste Wasserloch 16 gewandert ist,
in die Brennkammer ausgeblasen, womit das Zusetzen der Wasserlöcher 16 verhindert
wird.
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Gemäß der multifunktionalen
Wassereinspritz-Verteilervorrichtung 50 der vorliegenden
Ausführungsform
nach obiger Beschreibung ist das Druckminderungsventil 54 in
jedes der Verzweigungsrohre 6 eingefügt, um den Wassereinspritz-Verteiler 51 mit
der Brennkammer 1 in Verbindung treten zu lassen, wodurch
der Wassereinspritz-Verteiler 51 vollständig über das Druckminderungsventil 54 von
der Turbinenzylinderseite getrennt ist, und auch wenn es zu einem „dust biting" in dem Abzugsventil 12 kommt,
bei dem ein kleiner Durchgang entsteht, der mit der Außenluft
in Verbindung steht, und der Innendruck des Wassereinspritz-Verteilers 51 niedriger
wird als der Druck auf der Turbinenzylinderseite, tritt kein Fall
auf, bei dem das Hochtemperatur-Hochdruckverbrennungsgas in dem
Turbinenzylinder umgekehrt in den Wassereinspritz-Verteiler 51 strömen kann.
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Dies
bedeutet, dass ein sicherer Gasturbinenbetrieb unter jeder Lastbedingung
möglich
wird, oder ein Start/Stoppvorgang der Gasturbine jederzeit stattfinden
kann, und ein hochzuverlässiges
Gasturbinenkraftwerk aufgebaut werden kann.
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Ferner
ist das Druckminderungsventil 54 mit der Feder 56 mit
einer Federkraft versehen, die geringfügig größer als 0,5 bis 0,6 kg ist,
welche dem Wasserkopf von 5 bis 6 m des Wassereinspritz-Verteilers 51 entsprechen,
um so auf den Ventilabschnitt 55 in der Richtung von der
Turbinenzylinderseite zur Wassereinspritz-Verteilerseite hin zu
wirken, wodurch auch dann, wenn das Sperrventil 9 geschlossen
ist, um die Wassereinspritzung während
eines Lastbetriebs der Gasturbine anzuhalten, das nicht genügend durch
den Wasserkopf des Wassereinspritz-Verteilers 51 zerstäubte Wasser
daran gehindert wird, in den unteren Abschnitt der Brennkammer 1 und
die Leitschaufel der ersten Stufe in dem Turbinenzylinder zu strömen. Folglich
wird speziell in dem Fall eines Anhaltens der Wassereinspritzung
während
eines Hochlastbetriebs der Gasturbine verhindert, dass sich der
Hochtemperaturabschnitt der Gasturbine rasch durch das nicht genügend zerstäubte Wasser
abkühlt,
was zu einer Reduzierung einer Ausfallmöglichkeit der Gasturbine und
zu einer langen Lebensdauer derselben führt.
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Somit
wird gemäß der multifunktionalen
Wassereinspritz-Verteilervorrichtung 50 der
vorliegenden Ausführungsform
die Wassereinspritzung bei jedem Lastbetrieb der Gasturbine möglich, ohne
den Gasturbinen-Hochtemperaturabschnitt zu beschädigen, so dass der Betriebsbereich
der Gasturbinen-Wassereinspritzung
erweitert wird und der Einspareffekt durch die Reduzierung der Wartungs-
und Reparaturkosten verbessert wird, da der Hochtemperaturabschnitt
nicht beschädigt
wird.
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Wenn
die Drainage des Wassereinspritz-Verteilers 51 vorgenommen
werden muss, kann diese einfach durch Öffnen des Luft-Belüftungsventils 53 und
anschließendes Öffnen des
Abzugsventils 12 vorgenommen werden.
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Außerdem sind
die Wasserlöcher 16 zum
Einspritzen von Wasser in die Brennkammer 1 von kleinem Durchmesser
und sind doch nahe am Ölloch 14 vorgesehen,
womit, wenn die Ölfeuerungs-Gasturbine
angehalten wird, ein Durchspülungsvorgang
der Wasserlöcher 16 zur
Verhinderung eines Verkokens notwendig wird, aber auch in diesem
Fall wird unmittelbar nach Vornehmen der Drainage Druckluft von
5 bis 7 kg/cm2g zum Durchspülen durch
die Wasserlöcher 16 gespült, um die
Kraft der Feder 56 von etwa 0,5 bis 0,6 kgf zu überwinden,
wodurch der Spülvorgang
sicher erfolgen kann.
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Wie
oben erwähnt
wurde, können
die Drainage des Verteilers und die Durchspülung der Wassereinspritzlöcher, wie
sie bei dem gewöhnlichen
Gasturbinenbetrieb erforderlich sind, sicher vorgenommen werden, um
so einen stabilen Betrieb ohne Verkoken der Düsenlöcher zu ermöglichen, wobei eine bemerkenswerte Wirkung
hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit, der Zuverlässigkeit und des stabilen Betriebs
durch die multifunktionale Wassereinspritz-Verteilervorrichtung 50 der
vorliegenden Erfindung erzielt wird.
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Zusätzlich zu
der obigen Beschreibung wird das Betriebsverfahren der vorliegenden
multifunktionalen Wassereinspritz-Verteilervorrichtung 50 bei
einem Start/Stopp der Gasturbine und während des Betriebs der Gasturbine
in Tabelle 1 hinsichtlich des Betriebsmodus der Pumpe und der Ventile,
die darin vorgesehen sind, dargestellt.
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Es
ist zwar eine bevorzugte Ausführungsform
beschrieben worden, Variationen derselben sind jedoch Fachleuten
innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden erfinderischen Konzepte
ersichtlich, die durch die folgenden Ansprüche umrissen sind.
