DE60132691T2

DE60132691T2 - Kombiniertes System zur Wassereinspritzung zum Kühlen und zum Waschen eines Gasturbinenkompressors

Info

Publication number: DE60132691T2
Application number: DE60132691T
Authority: DE
Inventors: Richard Robert Niskayuna Trewin; William George Saratoga Springs Carberg
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2000-11-01
Filing date: 2001-10-31
Publication date: 2009-02-05
Anticipated expiration: 2021-11-01
Also published as: JP4138295B2; US6553768B1; EP1205640A2; KR100671574B1; EP1205640B1; KR20020034936A; ATE385538T1; DE60132691D1; JP2002256889A; CZ20013525A3; EP1205640A3

Description

Diese Erfindung betrifft Turbomaschinen und insbesondere ein kombiniertes Wasserwasch- und Nassverdichtungssystem für den Verdichter einer Gasturbine.
Der Verdichter einer Gasturbine benötigt regelmäßige Reinigung (die manchmal als Wasserwäsche bezeichnet wird). Ein Verfahren zur Reinigung umfasst das Einsprühen von Tröpfchen eines Reinigungsmittels in den Einlass des Verdichters. Wenn diese Prozedur durchgeführt wird, während sich der Verdichter im Betrieb befindet, wird vollentsalztes Wasser verwendet, und die Tröpfchen sind ausreichend groß bemessen, so dass unter die Trägheitskräfte über die Widerstandskräfte dominieren und dazu neigen, die Tröpfchen zu veranlassen, auf die Bestandsteile des Verdichters aufzutreffen und die Reinigungswirkung zu erzielen.
Es ist auch der Fall, dass ein Gasturbinenverdichter weniger Leistung erfordert, um bei einem gegebenen Druckverhältnis zu arbeiten, wenn eine Zwischenkühlung in dem Verdichter vorgesehen ist. Ein Verfahren zur Erzielung einer Zwischenkühlung umfasst ein Einsprühen von Tröpfchen eines Kühlmittels in den Einlass des Verdichters. Wenn das Gemisch aus Gas und Wasser verdichtet wird (was allgemein als Nassverdichtung bezeichnet wird), steigt die Temperatur des Gases und liefert das Triebpotential für eine Verdunstung. Die Wasserverdunstung kühlt das Gas und dient somit als Zwischenkühler. In diesem Fall sind die Kühlmitteltröpfchen ausreichend klein bemessen, so dass die Widerstandskräfte über die Trägheitskräfte durch dominieren und dazu neigen, die Tröpfchen zu veranlassen, an den Teilen des Verdichters vorbei und in nachfolgende Stufen des Ver dichters hinein zu strömen, in denen die Tröpfchen verdampfen und die gewünschte Zwischenkühlung erzielen.
Die momentane Praxis besteht darin, gesonderte Systeme zur Wasserwäsche und zur Nassverdichtung einzusetzen, die jeweils ihren eigenen Satz von Steuerungen und Teilen aufweisen.
Es ist eine Einrichtung erwünscht, die die Kosten und Komplexität, die mit gesonderten Wasserwasch- und Nassverdichtungssystemen verbunden sind, reduziert. Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung oder ein System, dass einen Strom großer Tröpfchen zur Wasserwäsche, der auf die Teile des Verdichters aufprallt und die erforderliche Reinigung des Verdichters erzielt, sowie einen Strom kleiner Tröpfchen zur Nassverdichtung liefert, der nicht auf die Teile des Verdichters auftrifft, sondern in stromabwärts liegende Stufen des Verdichters hinein strömt, in denen die Tröpfchen verdunsten, um eine Zwischenkühlung zu erzielen.
US 3 623 668 beschreibt eine Verteilersprühanordnung zur Einbringung eines Fluidsprühstrahls in den Einlass eines Gasturbinenverdichters, die mehrere Düsen zur Abgabe entweder eines Wassersprühstrahls oder eines Sprühstrahls eines Schutzmittels aufweist.
WO 97/43530 beschreibt ein kombiniertes Wasserwasch- und Nassverdichtungssystem für ein Gasturbinentriebwerk gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
Gemäß dieser Erfindung werden Wassertröpfchen sowohl zur Wasserwäsche als auch zur Nassverdichtung durch Doppelfunktionsdüsen in einem einzelnen System zugeführt.
Gemäß einem ersten Aspekt ergibt die vorliegende Erfindung ein kombiniertes Wasserwasch- und Nassverdichtungssystem für ein Gasturbinensystem gemäß Anspruch 1.
Gemäß einem weiteren Aspekt ergibt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Einbringung einer Flüssigkeit in einen Verdichtereinlass zur Erzielung einer Wasserwäsche zur Reinigung von Komponenten eines Verdichters und zur Erzielung einer Nassverdichtung zur Zwischenkühlung gemäß Anspruch 7.
Bei der Erfindung werden Modifikationen an derzeitigen Wasserwaschverteilern, Düsen und Steuerungen vorgenommen, die es ermöglichen, jeder Düse gezielt Zerstäubungsluft zuzuführen. Auf diese Weise werden die Tröpfchen, wenn die Zerstäubungsluft eingebracht wird, auf eine Größe reduziert, die ausreichend klein ist, um die Bestandteile des Verdichters zu umströmen und in die stromabwärtigen Stufen des Verdichters einzuströmen, so dass sie eine Zwischenkühlfunktion der Vorrichtung hinzufügen, die zuvor lediglich eine Wasserwaschfunktion erfüllt hat. Wenn die Zerstäubungsluftfunktion nicht verwendet wird, sind die Tröpfchen ausreichend groß, damit sie auf die Teile des Verdichters aufprallen und diese auf diese Weise reinigen. Es sind hier zwei Arten von Doppelfunktionsdüsen beschrieben. In einer Ausführungsform können die Düsen von einer kommerziell erhältlichen Zweistoffbauart sein, bei der eine Flüssigkeitsbahn durch eine eine hohe Geschwindigkeit aufweisende Luftbahn derart gestört wird, dass sie gegebenenfalls bewirkt, dass sich die Bahn in Bänder und anschließend in kleine Tröpfchen zersetzt, wenn die Düse in dem Zerstäubungsmodus arbeitet. Zur Wasserwäsche wird die Strömung der Zerstäubungsluft unterbrochen, und die Flüssigkeitsbahn wird einfach durch Umgebungsluft in große Tröpfchen aufgebrochen, die zur Wasserwäsche geeignet sind.
In einer zweiten beispielhaften Ausführungsform werden kleine Tröpfchen zur Nassverdichtung durch einen kommerziell verfügbaren elektromechanischen Zerstäuber geliefert. Elektromechanische Zerstäuber bilden eine Zerstäuberfamilie, zu denen beispielsweise Druckzerstäuber, Fliehkraftzerstäuber, elektrostatische Zerstäuber, Ultraschallzerstäuber, vibrierende Kapillar-Zerstäuber, Windradzerstäuber und Flash-Zerstäuber gehören. Diese Zerstäuberfamilie erzeugt kleine Tröpfchen, wenn der Druck der Flüssigkeit erhöht wird, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird, wenn Gas aufgelöst wird oder wenn eine Komponente der Düse in Bewegung gesetzt wird. Es ist hier ein Ultraschallzerstäuber beschrieben, der piezoelektrische Scheiben verwendet. In dieser Vorrichtung erzeugen die piezoelektrischen Scheiben eine zyklische Kontraktion und Expansion, die eine Druckwelle nach sich zieht, die axial entlang der Düse fortschreitet, wobei sie mit der Flüssigkeit in der Düse wechselwirkt, um zu bewirken, dass ein Sprühnebel aus kleinen Tröpfchen aus der Düse ausgestoßen wird. Bei einer Deaktivierung erlangen die Flüssigkeitströpfchen wieder eine größere Größe, die zur Wasserwäsche geeignet ist.
Ausführungsformen der Erfindung sind nachstehend zu Beispielszwecken unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
1 eine schematisierte Darstellung einer typischen Einfachzyklus-Gasturbineneinrichtung;
2 eine schematisierte Darstellung eines bekannten Systems aus Verteilern und Düsen eines Wasserwaschsystems zur Zuführung von Wasser zu einem Gasturbinenverdichtereinlass;
3 eine schematisierte Darstellung eines modifizierten Wasserwaschsystems, das zusätzliche Verteiler und Doppelfunktionsdüsen verwendet, gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
4 eine Querschnittsansicht einer Zweistoff-Doppelfunktionsdüse zur Verwendung in einer ersten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung; und
5 eine Querschnittsansicht einer elektromechanischen Doppelfunktionsdüse zur Verwendung in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt ein Einfachzyklus-Gasturbinenesystem 10, das einen Verdichter 12, eine Turbinenkomponente 14 und einen Generator 16 enthält, die an einem einzelnen Rotor oder einer einzelnen Welle 18 angeordnet sind. Der Verdichter 12 liefert Druckluft zu der Brennkammer 20, in der diese sich mit Brennstoff vermischt, der über einen Strom 22 zugeführt wird.
Sowohl Wasserwasch- als auch Nassverdichtungsprozeduren betreffen unmittelbar den Verdichter 12. 2 veranschaulicht eine schematisierte Form des Einlauftrichters 24 an dem Einlass des Verdichters 12. Bei der Strömungsrich tung, wie sie schematisiert durch Flusspfeile an den Düseneinlässen angezeigt ist, kann ersehen werden, dass das herkömmliche Wasserwaschsystem drei Wasserverteiler 26, 28, 30 verwendet, die quer zu der Strömungsrichtung ausgerichtet sind, wobei jeder Verteiler jeweilige Anordnungen von Einzelfunktionsdüsen 32, 34, 36 aufnimmt. Es ist zu beachten, dass die Düsen 36 an dem Verteiler 30 in eine Richtung weisen, die zu derjenigen der Düsen 32, 34 der Verteiler 26 bzw. 28 entgegengesetzt gerichtet ist, um dadurch eine gute Vermischung und Tröpfchenbildung sicherzustellen.
Bezugnehmend auf 3 ist dort ein modifiziertes Wasserwaschsystem veranschaulicht. Wie bei dem in 2 veranschaulichten System sind drei Wasserverteiler 38, 40 und 42 in der Nähe des Einlauftrichters 40 an dem Einlass des Verdichters 44 angeordnet. Die Verteiler liefern Wasser zu jeweiligen Anordnungen von Doppelfunktionsdüsen 46, 48 und 50. Zusätzlich liefert jedoch ein Luftverteiler 52 Zerstäubungsluft zu den Düsen 46, die dem Wasserverteiler 58 zugeordnet sind, während ein Luftverteiler 54 Zerstäubungsluft zu den Düsen 48 liefert, die dem Wasserverteiler 40 zugeordnet sind, und ein Luftverteiler 58 Zerstäubungsluft zu den Düsen 50 liefert, die dem Wasserverteiler 42 zugeordnet sind.
Es können kommerziell verfügbare Zweistoffdüsen (Zerstäuber) und elektromechanische Düsen (Zerstäuber) als die Doppelfunktionsdüsen in dem kombinierten Wasserwäsche/Nassverdichtungs-System gemäß dieser Erfindung verwendet werden.
Zweistoffzerstäuber werden manchmal als Hilfsluftzerstäuber oder Druckluftzerstäuber bezeichnet, obwohl das Fluid in der Gasphase nicht durch Luft gebildet sein muss. Bei dieser Düsenfamilie werden anfängliche hydrodynamische Instabilitäten durch aerodynamische Instabilitäten verstärkt. In den Hilfsluftzerstäubern wird die Flüssigkeit in eine dünne konische Bahn eingesprüht und anschließend einem Luftstrom mit hoher Geschwindigkeit ausgesetzt.
Sowohl Zweistoffzerstäuber als auch elektromechanische Zerstäuber weisen mehrere gemeinsame Eigenschaften auf, wenn die Zerstäubungsfunktion nicht eingesetzt wird. Sie beide beginnen mit einer Flüssigkeitsströmung und erzeugen eine Flüssigkeitsbahn oder einen Flüssigkeitsstrahl. An der Übergangsstelle zwischen der Flüssigkeit und dem Dampf werden Störungen hervorgerufen, und diese Störungen wachsen und führen gegebenenfalls zu einer Auftrennung in Bänder und anschließend in Tröpfchen. Die Tröpfchen sind ausreichend groß, um die gewünschte Reinigung von Verdichterkomponenten zu erzielen.
Die Doppelfunktionsdüsen 26, 48, 50 in der ersten Ausführungsform können kommerziell erhältliche Zweistoffdüsen der Bauart sein, wie sie durch Spraying Systems Co. aus Wheaton, Illinois (z. B. die „1/2 J Serie") betrieben wird. Eine derartige Düse ist in 4 veranschaulicht. Diese Düse enthält eine Düsenkörperanordnung 57, die mit einer Hauptdurchgangsbohrung 58 mit einem Einlass 60 an einem Ende von dieser ausgebildet ist. Die Durchgangsbohrung 58 weist einen einen reduzierten Durchmesser aufweisenden zentralen Abschnitt 62 auf, der sich zu einer Mischkammer 64 an einem Auslassende 66 der Düse erweitert. Eine Zerstäubungsluftbohrung 68 in dem Düsenkörper führt Luft einem Ringraum 70 zu, der wiederum die Luft zu der Mischkammer 64 liefert. In der Mischkammer wird das Wasser (oder eine sonstige Flüssigkeit) durch die Zerstäubungsluft derart aufgelöst bzw. aufgebrochen, dass die Tröpfchen auf eine Größe reduziert werden, die geeignet ist, damit sie den Verdichter umströmen und stromabwärts zur Nassverdichtung strömen, wo eine Verdunstung eine Zwischenkühlung erzielt. Wenn keine Zerstäubungsluft über die Bohrung 68 zugeführt wird, strömt aus dem zentralen Abschnitt 62 austretendes Wasser in die Kammer 64 ein und verlässt die Düse über die konische Ausflussöffnung 71 in Form einer konischen Bahn oder eines konischen Strahls. Die Bahn bzw. der Strahl wird durch die Umgebungsluft aufgetrennt, so dass Wassertröpfchen gebildet werden, die ausreichend groß sind, damit sie auf die Bestandteile des Verdichters aufprallen und somit diese waschen.
In der zweiten Ausführungsform kann jede der Düsen 46, 48, 50 in ihren jeweiligen Anordnungen auch durch einen kommerziell verfügbaren elektromechanischen Ultraschallzerstäuber (146 in 5) gebildet sein, wie er momentan von der Sono-Tek Corporation aus Milton, New York erhältlich ist. Kurz gesagt, enthält diese Düse einen Zerstäubungsstutzen 72 und einen Reflexionsstutzen 74, die über einem Paar piezoelektrischer Scheiben 76, 78 durch Montagebolzen oder sonstige geeignete Befestigungsmittel 80, 82 ganz dicht angelegt sind. Ein Flüssigkeitseinlassrohr 84 erstreckt sich durch den Reflexionsstutzen 74 sowie durch die Scheiben 76, 78 hindurch und ist über eine verschiebbare Verbindung mit einem Flüssigkeitszuführungsrohr 86 verbunden, das in dem Zerstäubungsstutzen 72 durch Verschraubung gesichert ist. Die piezoelektrischen Scheiben 76, 78 dehnen sich aus und ziehen sich zusammen, um eine zyklische Expansion und Kontraktion in dem Zerstäubungsstutzen 72 und in dem Flüssigkeitszuführungsrohr 86 hervorzurufen. Dies wie derum ergibt eine fortschreitende Druckwelle, die axial entlang der Düse fortschreitet. Die Länge der Düse ist gleich einer Wellenlänge, so dass ein Stehwellenmuster mit einem Wellenbauch an der Düsenauslassöffnung oder dem Auslass 88 erzeugt wird. Wenn eine Flüssigkeit in die schnell schwingenden Rohre 84, 86 eingebracht wird, tritt an der Grenzstelle zwischen der Flüssigkeit und dem Dampf an dem Auslass 88 ein schachbrettartiges Wellenmuster auf. Die Wellenberge steigen bis zu dem Punkt, an dem sie instabil werden und zusammenfallen und dadurch bewirken, dass ein Sprühnebel aus kleinen Tröpfchen aus der Düse ausgestoßen wird. Die Schwingungsfrequenz ist derart ausgewählt, dass die resultierenden Wassertröpfchen klein genug sind, um einen Aufprall auf die Verdichterbestandteile zu vermeiden und auf diese Weise Tröpfchen zur Nassverdichtung zu liefern.
Es versteht sich, dass die allgemeine Anordnung der Wasserversorgungsverteiler wie in 3 veranschaulicht bleiben kann, jedoch die Luftverteiler 52, 54 und 56 zugunsten elektrischer Leitungen eliminiert würden (d. h. die schematische Darstellung wäre dieselbe, wobei jedoch die Linien, die Luftverteiler bezeichnen, als elektrische Leitungen bezeichnet würden).
Wenn das elektrische Feld nicht angelegt wird, wird keine Druckwelle errichtet, und die Tröpfchen sind ausreichend groß, damit sie auf die Verdichterteile aufprallen und diese waschen.
Es versteht sich, dass die vorstehend beschriebenen Doppelfunktionsdüsen lediglich beispielhafte Düsen bilden und dass andere geeignete Doppelfunktionsdüsen eingesetzt werden können.

Claims

Kombiniertes Wasserwasch- und Nassverdichtungssystem für ein Gasturbinensystem (10), umfassend: einen Verdichter (12) mit einem Einlass, der eine Strömungsrichtung definiert; mehrere Verteiler (38, 40, 42, 52, 54, 56), die in der Nähe des Einlasses und quer zur Strömungsrichtung angeordnet sind; mehrere Düsen (46, 48, 50) für die wahlweise Versorgung des Verdichters mit relativ kleinen Tröpfchen zum Einführen in den Verdichter zwecks Zwischenkühlung, oder mit relativ großen Tröpfchen zum Auftreffen auf Verdichterkomponenten zur Reinigung der Komponenten, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (46, 48, 50) mit den Verteilern verbundene Doppelfunktionsdüsen sind, wobei im Betrieb jede der Düsen (46, 48, 50) die relativ kleinen Tröpfchen durch einen Zerstäuber der Doppelfunktionsdüsen liefert, wenn dieser Zerstäuber aktiviert ist, und relativ großen Tröpfchen liefert, wenn der Zerstäuber deaktiviert ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Doppelfunktionsdüsen (46, 48, 50) jeweils eine mechanische Zweistoffdüse enthalten und wobei jede Düse mit einem der mehreren Luftverteiler (52, 54, 56) verbunden ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Doppelfunktionsdüsen (46, 48, 50) jeweils einen Ultraschallzerstäuber (146) enthalten.
System nach Anspruch 1, wobei jeder der Verteiler eine Anordnung aus Doppelfunktionsdüsen (46, 48, 50) aufweist.
System nach Anspruch 4, wobei einer der Verteiler (42) und seine entsprechende Anordnung aus Doppelfunktionsdüsen so eingerichtet sind, dass sie einen Strom in eine der genannten Strömungsrichtung entgegengesetzte Richtung lenken.
Gasturbinensystem (10) mit einem Verdichter (12), einer Turbine (14), einem Generator (16) und einem kombinierten Wasserwasch- und Nassverdichtungssystem entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 5.
Verfahren zum Einführen einer Flüssigkeit in einen Verdichtereinlass (24) zwecks Wasserwäsche zum Reinigen von Komponenten eines Verdichters (12) und zwecks Nassverdichtung zur Zwischenkühlung, wobei dieses Verfahren umfasst: a) das Bereitstellen von zumindest einer Anordnung von Düsen (46, 48, 50), die den Einlass (24) des Verdichters mit sowohl großen als auch kleinen Flüssigkeitstropfen versorgen können; b) den Betrieb der Düsenanordnung in einem ersten Modus, wobei die Flüssigkeitströpfchen groß genug sind, um von den Verdichterkomponenten aufzutreffen und eine Reinigungsfunktion zu haben, und c) den Betrieb der Düsenanordnung in einem zweiten Modus, wobei die Flüssigkeitströpfchen klein genug sind, um an den Verdichterkomponenten vorbei und in hintere Verdichterstufen zu strömen, wo die Tröpfchen zur Zwischenkühlung verdunsten, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (46, 48, 50) mit den Verteilern verbundene Doppelfunktionsdüsen sind, wobei jede der Düsen (46, 48, 50) so betrieben wird, dass sie relativ kleine Tröpfchen durch einen Zerstäuber dieser Doppelfunktionsdüsen liefert, wenn dieser Zerstäuber aktiviert ist, und dass sie relativ große Tröpfchen liefert, wenn dieser Zerstäuber deaktiviert ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Doppelfunktionsdüsen (46, 48, 50) jeweils eine mechanische Zweistoffdüse aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Doppelfunktionsdüsen (46, 48, 50) jeweils einen Ultraschallzerstäuber (146) aufweisen.