DE69716259T2

DE69716259T2 - Methode und einrichtung um die leistung von gasturbinen durch nässeverdichtung zu erhöhen

Info

Publication number: DE69716259T2
Application number: DE69716259T
Authority: DE
Inventors: E. Henry; D. Hudson; E. Lively; E. Zachary
Original assignee: Dow Chemical Co
Current assignee: Dow Chemical Co
Priority date: 1996-05-14
Filing date: 1997-05-02
Publication date: 2003-09-18
Anticipated expiration: 2017-05-03
Also published as: CA2254922A1; BR9709317A; KR100375648B1; JP3749546B2; WO1997043530A1; ES2181003T3; ATE225906T1; JP2000510544A; CN1219217A; EP0898645B1; EP0898645A1; EP1108870A3; PT898645E; EP1108870A2; RU2178532C2; AU725901B2; CA2254922C; DE69716259D1; AU3211097A; CN1123680C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verfahren und Vorrichtungen zur Erhöhung der Leistungserzeugung von Gasturbinen und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen zum effektiven Erhöhen der Leistungserzeugung stationärer Industriegasturbinen, die üblicherweise in Einrichtungen zur Leistungserzeugung und chemischen Bearbeitungseinrichtungen verwendet werden.
Gasturbinen werden in einer Vielfalt nützlicher Anwendungen eingesetzt. Luftfahrt, Schifffahrt, Leistungserzeugung und die chemische Bearbeitung haben alle Nutzen aus Gasturbinen verschiedener Ausgestaltungen gezogen. Einrichtungen zur Leistungserzeugung durch eine stationäre Gasturbine können ebenfalls Vorteile durch kombinierten Arbeitsablauf vorsehen, wenn eine Einheit zur Wärmerückgewinnung verwendet wird, um Dampf aus Abgas zu erzeugen, das durch diese Gasturbine erzeugt wird, und eine Dampfturbine durch diesen Dampf betrieben wird.
Unter Bezug auf die allgemeine Terminologie wird der Begriff "Gasturbine" herkömmmlicherweise bezogen auf irgendein Turbinensystem mit einem Kompressionsabschnitt, einem Verbrennungsabschnitt und einem Turbinenabschnitt. In den letzten Jahren wurde der Begriff "Verbrennungsturbine" gebräuchlicher, um sich auf dieselbe Maschine zu beziehen. Im Hinblick darauf wird die Beschreibung den Begriff "Gasturbine" verwenden, um beides wiederzugeben, den herkömmlicherweise verwendeten Begriff und den Begriff "Verbrennungsturbine", da einige sich heutzutage darauf beziehen würden.
Gasturbinen weisen einen Kompressorabschnitt zur Kompression von Einlassluft, einen Verbrennungsabschnitt zum Zusammenbringen der komprimierten Einlassluft mit Kraftstoff und Oxidieren dieses Brennstoffs und einen Turbinenabschnitt auf, wo die Energie aus dem heißen, unter Druck stehenden Gas, das durch Oxidation des Brennstoffs hergestellt wird, in Arbeit umgesetzt wird. Üblicherweise wird Erdgas (zumeist Methan), Kerosin oder synthetisches Gas (wie beispielsweise Kohlenstoffmonoxid) als Brennstoff dem Verbrennungsabschnitt zugeführt, jedoch können andere Brennstoffe verwendet werden. Der Rotor, definiert durch eine Rotorwelle, montierte Rotorblätter des Turbinenabschnitts und montierte Rotorblätter des Kompressorabschnitts, führt dem Kompressorabschnitt mechanisch Energie zu und in einigen Fällen einem Kompressor, der in einem chemischen Verfahren oder einem elektrischen Generator verwendet wird. Das Abgas von dem Turbinenabschnitt kann verwendet werden, um Druck zu erzeugen, es kann eine Quelle für Wärmeenergie sein oder wird in einigen Fällen ausgestoßen.
Einige Turbinenabschnitte nutzen die Verwendung von flüssigkeitsgekühlten Rotorblättern, wo beispielsweise unter Druck stehende Luft oder Dampf durch innere Kühlkavitäten innerhalb der in dem Turbinenabschnitt verwendeten Rotorblätter hindurchgeschickt wird; dies ermöglicht die Abgabe höherer Temperaturen aus dem Verbrennungsabschnitt.
Aus verschiedenen Gründen wird es oft wünschenswert, die Leistungserzeugung von installierten stationären Industriegasturbinen in Leistungserzeugungseinrichtungen oder in chemischen Bearbeitungseinrichtungen zu erhöhen und unter besonderen Umständen es zu ermöglichen, dass ein solches erhöhtes Leistungsvermögen auf Anforderung oder auf einer Bedarfsbasis zugänglich ist. Beispielsweise können im Zusammenhang mit Energieerzeugung Anfragen von Anwendern der Einrichtung saisonbedingt höher in Sommermonaten in bestimmten Gebieten sein, um sich der gestiegenen Verwendung von beispielsweise Klimaanlagen und elektrischen Lüftern anzupassen. In einer chemischen Bearbeitungseinrichtung, die viel elektrische Energie benötigende chemische Prozesse enthält, wie beispielsweise einen herkömmlichen elektrolytischen Chlor-Akali-Prozess, kann es ähnlich wünschenswert sein, basierend auf der Anfrage nach Produkten solcher viel elektrische Energie benötigender Prozesse, in der Lage zu sein, die von einer installierten Gasturbine oder Gasturbinen erzeugte Energie zu erhöhen.
Ein bekanntes Verfahren zur Erhöhung der von einer gegebenen Gasturbine erzeugten Energie führt einfach das Erhöhen der Feuerungstemperatur der Turbine ein, jedoch ist ein Nachteil dieses Verfahrens im Grundlastbetrieb insbesondere, dass erhöhte Feuerungstemperaturen dazu neigen, den thermischen Verschleiß an Komponenten am "heißen Ende" zu erhöhen und die Häufigkeit von Wartungsausfällen zu erhöhen. Verdampfungskühlung der Einlassluft zu der Turbine ist eine andere bekannte Option und kann signifikante Vorteile beispielsweise in heißen trockenen Umgebungen mit sich bringen, jedoch ist die erreichbare Zunahme von der Verdampfungskühlung begrenzt und abhängig von den Umgebungsbedingungen, die am Ort vorherrschen. Die Wassereinspritzung in eine Brennkammer einer Turbine und die Dampfinjektion in den Brennkammermantel oder direkt in eine Brennkammer sind ebenfalls bekannt, jedoch tragen sie einen Nachteil in bezug auf die Brennstoffausbeute und Kosten zusätzlich zu Betriebskosten und möglichen zusätzlichen Dampferzeugungskosten in sich.
Unter nunmehrigem Bezug auf die vorliegende Erfindung haben sich die Erfinder nun eine neue und praktische Einrichtung zum Erreichen eines signifikanten Niveaus einer Energieerhöhung bei industriellen Gasturbinen vorgestellt und erfolgreich demonstriert, wobei Wasser (oder Alkohol oder eine Mischung daraus, jedoch bevorzugt einfach und im Wesentlichen nur Wasser im Hinblick auf seine (des Wassers) hohe latente Verdampfungswärme, direkte Verfügbarkeit und extrem niedrigen zu vernachlässigenden Kosten für den Verwender, um dasselbe zu gewinnen und zu verwenden) einer Gasturbine zugeführt werden kann, die unter Volllast arbeitet, um das Energievermögen einer Gasturbine über den Ertrag anzuheben, der mit vollständig angefeuchteter Luft erzielt werden kann (wobei dadurch die durch Verdampfungskühlung von Einlassluft erzielten Vorteile bei Turbinen ergänzt werden, die mit derselben zuvor als eine erste Zunahmeoption ausgerüstet wurden, oder wobei möglicherweise beides, eine vollständige Verdampfungskühlung der Einlassluft und eine zusätzliche Maßnahme zur Zunahme in den Turbinen vorgesehen wird, die nicht so mit herkömmlichen Verdampfungseinlasskühlungseinrichtungen ausgerüstet wurden), ein Verfahren und ein Effekt, auf den im Folgenden als "Nasskompression" Bezug genommen werden wird.
In einem ersten Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erhöhung der Netto-Leistungsabgabe einer Industrie-Gasturbine vor, wobei die Gasturbine einen mehrstufigen Axialverdichter mit einem Einlas zur Aufnahme eines Luft enthaltenden Arbeitsmediums enthält, wobei das Verfahren das Versehen des durch den Axialverdichter aufgenommenen Arbeitsmediums mit Wassertröpfchen oder Tröpfchen einer anderen Flüssigkeit, die eine hohe latente Verdampfungswärme aufweist, in einer ansteigenden, schrittweisen oder anderweitig kontrolliert erhöhten Zugabeweise, um den Temperaturanstieg des Arbeitsmediums infolge der Kompression zu vermindern und dabei einen Anstieg der Netto- Leistungsabgabe der Gasturbine zu erreichen, gemessen gegenüber der Netto-Leistungsabgabe der Gasturbine unter vergleichbaren Bedingungen, jedoch ohne Zugabe der Flüssigkeit, umfasst.
Ohne es zu beabsichtigen, die vorliegende Erfindung einzuschränken, wird angenommen, dass die Nasskompression eine Leistungszunahme bei sogar vollständig (100 74) effizienten mit Verdampfungseinlassluftkühlung ausgerüsteten Gasturbinensystemen auf mehrere Arten ermöglicht. Teilweise wird die Zunahme durch Reduzierung der für die Kompression der Einlassluft benötigten Arbeit erzielt. Dieser thermodynamische Vorteil wird innerhalb des Verdichters einer Gasturbine durch "latente Wärmezwischenkühlung" realisiert, wo Wasser, das der in den Verdichter eingeführten Luft zugefügt wird, die Luft kühlt, durch Verdampfung, wenn die Luft mit dem zugeführten Wasser komprimiert wird. Das zugeführte Wasser kann als eine "Verdampfungsflüssigkeitswärmesenke" in dieser Beziehung begriffen werden. Die Annäherung an Nasskompression spart dadurch einen zusätzlichen Arbeitsbetrag (der benötigt worden wäre, um die nicht das zugefügte Wasser enthaltende Luft zu komprimieren), und macht den zusätzlichen Arbeitsbetrag verfügbar, um entweder die mit der Gasturbine verbundene Last anzutreiben (im Falle einer einwelligen Maschine) oder die Verdichtergeschwindigkeit zu erhöhen, um mehr Massenstrom vorzusehen (was sowohl in einwelligen als auch in zweiwelligen Maschinen von Wert sein kann).
Die durch eine Nasskompression ermöglichte Energiezunahme wird auch teilweise einem geringen Anstieg des Massenstroms zugeschrieben, der durch das verdampfte zugefügte Wasser vorgesehen wird. Ein weiterer Leistungszunahmeschritt erscheint auch als einer Zunahme an Luftströmung zuschreibbar, von der festgestellt wurde, dass sie mit einer ersten Zunahme an Wasser von 10 bis 20 Gallonen pro Minute (38 bis 76 Litern pro Minute) in einer großen stationären Industriegasturbine auftritt. Es soll angemerkt werden, dass zusätzlicher Brennstoff benötigt wird, um die Temperatur der gekühlten (jeweilig zur Trockenluftkompression) Luft/Dampfmischung, die von dem Verdichter ausgegeben wird, auf die Feuerungstemperatur der Gasturbine anzuheben; jedoch ist der durch den Effekt der Nasskompression realisierte Wert größer als die Menge an zusätzlichem benötigtem Brennstoff, was zu einem Wert führt, der zu dem Betrieb des Systems als Ganzem zugeführt wird.
Die Möglichkeit einer Wasserzugabe zum Verdichter zur Leistungserhöhung erscheint von zumindest einigen im Stand der Technik auf einem theoretischen Niveau für einige Zeit bevorzugt gewesen zu sein, obgleich andere Druckschriften zu anderen Schlussfolgerungen gelangt sind, wie zu den Gesamtvorzügen der Zugang von Wasser zu einem Gasturbinenverdichter und seine Auswirkungen auf die Ausbeute und Leistungsfähigkeit einer Turbine oder eines Verdichters. Ein frühes Beispiel einer Wasserzugabe zu einem Verdichter einer Gasturbine wird durch David G. Wilson in "The Design of High-Efficiency Turbomachinery and Gas Turbines" (1984, Massachusetts- Institut für Technik) angemerkt, wobei ein sechsstufiger Zentrifugalverdichter, der in einer 1903 Vintage-Turbine, hergestellt von Aegidius E1- ling verwendet wird, Wasser zwischen den Verdichterstufen injiziert.
In den 40er Jahren des 20. Jahrhunderts wurde ein Überblick über einige der Prinzipien hinter der Nasskompression durch I. T. Wetzel und B. H. Jennings in "Water Spray Injection of an Axial Flow Compressor" gegeben (Verhandlungen der Mittelwest-Energiekonferenz, Illinois Institut für Technik, 18.-20. April 1949, Seiten 376 bis 380). Der Artikel gibt an, dass "Wasser... in die Einlassleitung gerade stromaufwärts von dem Verdichter durch vier Düsen von Sprühsystemen Typ 1/4 LNN6 eingesprüht wurde". Es wurden durch Wetzel und Jennings jedoch keine tatsächlichen Resultate unter Verwendung einer Gasturbine berichtet (wie im Gegensatz zu einer Dampfturbine kleinen Maßstabs).
Ähnlich beschreibt eine sowjetische Publikation von 1973 ("Effect of Water Spraying on Operation of the Compressor of a Gas Turbine Engine", L. I. Slobodyanyuk, Energetika, Nr. 1, 1973, Seiten 92-95) die Effekte des Sprühens von 0,08 kg destillierten Wassers (30 bis 40 Mikrometer Tröpfchengröße) pro Kilogramm "trockener Luft" in den Lufteinlass eines Verdichters und schlägt vor, dass die Energie eines Gasturbinenmotors unter diesen Umständen um ca. 35% erhöht wird. Wie bei dem Wetzel- und Jennings-Artikel jedoch war die Vorrichtung, die in dem sowjetischen Beispiel verwendet wurde, nicht eine Gasturbine, sondern ein idealisierter Verdichter, in dem Zwischenstufenabscheider verwendet wurden, um flüssiges Wasser zu entnehmen, und der durch eine Dampfturbine angetrieben wurde. Weiter wurde, obgleich Wetzel und Jennings den oben als einen Nebenfaktor bei der Leistungserhöhung der Nasskompression genannten Massenstromeffekt erkannt haben, dieser Effekt nicht in dem 1973er Sowjet- Artikel von Slobodyanyuk diskutiert oder erkannt.
In der Entwicklung von Flugzeugen mit Strahlantrieb in Unterscheidung von stationären Gasturbinen wurde die Injektion von Alkohol oder Wasser/Alkohol-Mischungen im Zusammenhang mit dem Vorsehen sehr kurzzeitiger Schuberhöhung erwogen (während des Starts beispielsweise), wie angemerkt in Amerikanische Gesellschaft von Maschinenbauingenieuren, Artikel 83-GT-230 mit dem Titel "Gas Turbine Compressor Interstage Cooling Using Methanol" (ASME, New York, 1983) von J. A. C. Fortin und J. F. Bardon.
Die DE-A-29 31 178 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens einer Gasturbinenenergieumwandlung, bei dem Flüssigkeiten, wie Verdampfungskühlmittel, vor und/oder in den Turbinenverdichter injiziert und in dem Verdichter verdampft werden. Das Verfahren kann in einem offenen oder geschlossenen Gasturbinenprozess verwendet werden. In einem beispielhaften Verfahren wird flüssiges Kühlmittel zerstäubt und mit dem dem Verdichter zugeführten Gas vermischt durch eine Sprüheinrichtung mit rotierender Scheibe in einer zusätzlichen Wirbelkammer stromaufwärts des Verdichters. In dem einzigen anderen beispielhaften Verfahren wird das flüssige Kühlmittel durch Ultraschall vor dem Mischen mit dem dem Verdichter zugeführten Gas zerstäubt.
Die US-A-5,463,873 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verdampfungskühlen von Luft, die einer Gasturbinenwärmekraftmaschine durch Injektion von Wassernebel in die Einlassluft in einer Menge zugeführt wird, die durch ein Signal reguliert wird, das das Vermögen des Einlassluftstroms zur Absorption von Wasserdampf darstellt, das es den Wassertröpfchen nicht gestattet, in den Verdichtereinlass zu gelangen.
So berichtet am anschaulichen Beispiel stationärer Gasturbinen eine ASME-Veröffentlichung von 1990 "Gas Turbine Performance Improvement Direct Mixing Evaporative Cooling System American Atlas Cogeneration Facility Riffle, Colorado" von J. P. Nolan und V. J. Twombly über den Aufbau und den Betrieb eines Verdampfungskühlungssystems mit direkter Mischung "als eine Alternative zu herkömmlichen Systemen benetzter fester Medien in Verwendung für eine Gasturbinen-Leistungserhöhung", auf einer Gasturbine mit einer Grundleistung von 13,5 Megawatt. In diesem System wurde ein "Vernebelungssystem" von Sprüheinrichtungen, die an Nicht- Eisenleitungen geringen Durchmessers (0.5 Zoll bis 1 Zoll; 1,25 cm bis 2,5 cm) befestigt sind, die bei 600 psi (4 MPa) oder mehr arbeiten, wie herkömmlich in einem benachbarten Gewächshausbetrieb verwendet, am oberen Ende einer ausgestreckten (16 Fuß (4,9 m) hohen) vertikalen Lufteinlasssäule aufgebaut und ausgelegt, um flüssiges Wasser aufwärts in die nach unten in die Einlasssäule fließende Luft zu sprühen. Um die gewünschte vollständige Befeuchtung der in den Verdichter eingezogenen Luft vorzusehen (100% relative Feuchte), wurde angedeutet, dass 7,5 Gallonen (28 Liter) pro Minute durch das Vernebelungssystem ausgeworfen werden müssten. Diese Entwurfsströmungsleistung wurde verdoppelt, um eine Drift, Druckschwankungen, Leckagen und andere Verluste zuzulassen und Möglichkeit des "Übersprühens" (d. h., dass ein Überschuss an Wasser über die und oberhalb der vollständigen Sättigung zugeführt wird, das in den Verdichter gelangen kann), betrachtet im Hinblick auf eine mögliche Verdichterverschmutzung, Verdichterblattkorrosion und Verdichterblatterosion ebenso wie einen möglichen vorteilhaften Anstieg des Massenstroms, ausschließlich in Verbindung mit dem Wasserüberschuss.
Mehrere Versuche wurden, entsprechend dem Bericht unter verschiedenen Strömungsverhältnissen, durchgeführt, über einen Bereich von Umgebungsbedingungen hinweg, von Juli bis September 1989. Über einen durchschnittlichen Abgabegewinn von 9,6% wurde über eine Grundabgabe von 13,5 Megawatt berichtet: von den 9,6% wurden 7,4% der Verdampfungskühlung der Einlassluft zugeordnet (von einer Durchschnittsumgebungslufttemperatur von 87º Fahrenheit (30,5ºC) bis zu einer Nasskolbentemperatur von 67º Fahrenheit (19,5ºC)), und 2,2% dem berichteten 1,3%-Anstieg des Massenstroms durch den Verdichter zugeordnet (wobei die 1,3 Prozentpunkte scheinen, als berücksichtigten sie nur die Wasserzugabe zu der Luft). Zur selben Zeit wurde jedoch ein Gasturbinenaustrittstemperaturrückgang von etwa 15º Fahrenheit (8ºC) beobachtet und als Reaktion wird berichtet, dass die Feuerungstemperatur erhöht wurde, um die 1.000º Fahrenheit (540ºC) Austrittstemperaturgrenze zu erreichen.
Während der Nolan- und Twombly-Artikel oberflächlich ein feines Mischsystem zu beschreiben scheint, das die Fähigkeit besitzt, kontinuierlich flüssiges Wasser in den Verdichter einer relativ kleinen Gasturbine oberhalb der vollständigen Befeuchtung des Einlassluftstroms zuzugeben, ist es bei genauerer Analyse mehrerer in dem Artikel enthaltener Schlüsselpunkte keineswegs eindeutig klar, dass ein Leistungsanstieg der Nasskompression tatsächlich in dem System auftritt, wie von Nolan und Twombly berichtet, oder tatsächlich diese Nasskompressions- Leistungserhöhung erfolgreich sein kann und wünschenswerterweise bei Industriegasturbinen nach der vorliegenden Erfindung angewendet würde, insbesondere im Hinblick auf die größeren heute eher vorkommenden Industriegasturbinen, die für 35 Megawatt und mehr bemessen sind und/oder für die ausgeprägt höheren nachgesuchten und durch die Erfinder ermöglichten Zunahmeniveaus, nämlich von 20 auf vielleicht 40% der Nettoleistungsabgabe einer bestehenden Turbine unter Verwendung von vollständig befeuchteter Luft (wie z. B. durch ein vollständig (100%) wirksames Einlassluftverdampfungskühlungssystem erreicht).
Während die Erfinder beispielsweise die Zunahme an Leistungserzeugung nicht quantifiziert haben, wäre dies in Nolans Gasturbine mit einer 15º Fahrenheit (8ºC) Aufwärtsverschiebung in der Kontrollkurve (wie durch Nolan und Twombly berichtet) verbunden, wäre der Anstieg nach der Erfahrung der Erfinder mit anderen Festblattturbinen des Herstellers sicher größer als der 2,2%-Netto-"Zuwachs" der Leistungserzeugung, der durch Nolan und Twombly dem erhöhten Massenstrom durch die Turbine zugeordnet wird. Folglich könnte ein Fachmann auf dem Gebiet des Betriebs und der Wartung dieser Gasturbinen, obgleich Nolan und Twombly diesen Effekt nicht erkannt zu haben scheinen, ausgesprochen überlegt daraus schließen, dass die reine Auswirkung des "Übersprühens" (Zugabe von flüssigem Wasser zu dem Verdichter) am Gesamtturbinenauslass negativ ist oder bestenfalls einen kleinen oder keinen positiven Effekt zeigt und wird sicher fragen, ob ein Niveau einer zusätzlichen Abgabe, die signifikant geringer als die berichteten 2, 2% ist, die berichteten Wasserbehandlungskosten und irgendwelche möglichen negativen Langzeiteffekte und erhöhten Wartungskosten rechtfertigen würde, die von den ausgedehnten Perioden der Zugabe von flüssigem Wasser zu den Verdichtern dieser Turbinen vorhergesehen werden können.
Sicherlich wurden sogar einige Formen von Nasskompression bei Industriegasturbinen nach der vorliegenden Erfindung ermöglicht und vorgeschlagen, jedoch gibt es weder eine Erkenntnis über die Möglichkeit der Verformung des Turbinengehäuses, die bei der Implementierung eines ähnlichen "Vernebelungssystems" bei Industriegasturbinen auftritt, noch irgend eine Lehre oder einen Vorschlag für Lösungen dieses Problems oder um möglichen Vereisungseffekten einer Nasskompressions-Wasserzugabe bei niedrigen Umgebungslufttemperaturen entgegenzuwirken, noch eine Lehre oder einen Vorschlag, um Wasser zuzuführen, um Zunahmeniveaus von 10% oder mehr zu erhalten (viel weniger, 20% oder mehr) oberhalb der mit vollständig feuchter Luft erreichbaren Leistungsabgabe (d. h. 10% oder mehr durch "Übersprühen"), noch irgendeine Lehre oder einen Vorschlag beispielsweise von Reinigungsprozessen, um sich Verschmutzungsaustritten, die durch die Erfinder herausgefunden wurden, zuzuwenden, die ihrer Eigenart nach mit der Implementierung von Nasskompression in signifikanten Höhen in Industriegasturbinen verbunden sind.
Ungeachtet der begrenzten (und bestreitbar zweifelhaften) Verwendung der in dem Nolan-Artikel berichteten Nasskompressions-Leistungserhöhung und tatsächlich, wie von mehreren warnenden Kommentaren in demselben Artikel überlegt, gibt es eine Zahl von Risiken für ein Gasturbinensystem, die sich sofort den Fachleuten auf dem Gebiet aufdrängen werden, bei der Betrachtung der Verwendung von einer Wasseraufnahme in dem Verdichter als solcher als einem alternativen Mittel für den Erhalt einer Leistungszunahme bei einer Industriegasturbine, und insbesondere, wie in Bezug auf größere neuere Modelle von Industriegasturbinen erwogen, die Grundleistungen von 100 Megawatt und mehr haben können.
Wie angemerkt, entsteht ein Risiko durch erosive Effekte am Blatt; eine andere Schwierigkeit (insbesondere bei großen Gasturbinensystemen) betrifft lokale und Probleme aufgrund ungleichmäßiger Kühlung (infolge ungleichmäßiger Verteilung des zugeführten Wassers) innerhalb des Verdichters, was die stofflichen Komponenten des Gasturbinensystems in einem solchen Maße stören kann, dass es eine Beschädigung durch das Reiben des Rotors an der Innenwand des Gehäuses und damit verbundener Dichtungen verursacht. Ein weiteres signifikantes Risikoelement entsteht aus der Möglichkeit eines thermischen Schocks, wenn die Gasturbine im Wesentlichen ein thermodynamisches Gleichgewicht unter Volllast erreicht und die Flüssigkeitszugabe abrupt beendet wird.
Ein anderes Risikoelement besteht infolge der Möglichkeit, dass die Komponenten des Flüssigkeitszugabesystems wegbrechen können und gegen die relativ empfindlichen Bewegungsteile des Gasturbinensystems schlagen. Noch ein anderes vorhersehbares Risikoelement ist mit der zusätzlichen Verschmutzung oder Korrosion der Gasturbinenkomponenten aus Verunreinigungen verbunden, die in dem der Kompressionseinlassluft zugeführten Wasser vorliegen können, da diese Verunreinigungen auf den Gasturbinenkomponenten als Ergebnis der Verdampfung des Wassers, in dem sie gelöst wurden, abgelagert werden.
Mit besonderem Bezug auf stationäre Gasturbinenleistungserzeugungseinrichtungen und Einrichtungen zur chemischen Bearbeitung setzen sich die obigen Risikofaktoren zu einem Ausmaß durch die besonderen Anlagekosten, die durch die Gasturbinen dargestellt werden, die den Folgen eines Turbinenbruchs oder Ausfalls für andere Arbeitsabläufe und durch nichtlineare zugehörige Vergrößerungsüberlegungen, die mit diesen Turbinentypen verbunden sind, zusammen.
Was die Erfinder im Wesentlichen hierin vorgesehen und beansprucht haben, ist eine Näherung und ein System, das es ermöglicht, eine Nasskompression pragmatisch zu implementieren, sogar auf hohen Niveaus und für ausgedehnte Betriebsdauern, bei Industriegasturbinenleistungserzeugungseinrichtungen und Einrichtungen für die chemische Be- bzw. Verarbeitung. Ein solches System ermöglicht es, dass ein unmittelbarer Nutzen aus der existierenden Grundlage installierter Gasturbinenleistungserzeugungseinrichtungen und chemischer Verarbeitungseinrichtungen realisiert wird. Vielleicht noch wichtiger, ermöglicht ein solches System vorstellbar, dass Gasturbinen für die Nasskompression im Entwurfzustand optimiert werden, wobei neue Möglichkeiten bei der Leistungserzeugung eröffnet werden.
In einem ersten Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erhöhung der Nettoleistungsabgabe einer Industriegasturbine vor, wobei die Gasturbine einen mehrstufigen Axialverdichter mit einem Einlass zur Aufnahme eines Luft enthaltenden Arbeitsmediums enthält, wobei das Verfahren das Versehen des durch den Axialverdichter aufgenommenen Arbeitsmediums mit Wassertröpfchen oder Tröpfchen einer anderen Flüssigkeit, die eine hohe latente Verdampfungswärme aufweist, in einer ansteigenden, schrittweisen oder anderweitig kontrollierbar erhöhten Zugabeweise umfasst, um den Temperaturanstieg des Arbeitsmediums infolge der Kompression zu vermindern und dabei einen Anstieg der Nettoleistungsabgabe der Gasturbine zu erreichen, gemessen gegenüber der Nettoleistungsabgabe der Gasturbine unter vergleichbaren Bedingungen, jedoch ohne Zugabe der Flüssigkeit.
In einem anderen Aspekt sieht die Erfindung eine Vorrichtung zur Leistungserzeugung vor, enthaltend eine Industriegasturbine mit einem mehrstufigen Axialverdichter mit einem Einlass zur Aufnahme eines Luft enthaltenden Arbeitsmediums, und eine Tröpfchenzugabeinrichtung zum stufenweisen Erhöhen der Nettoleistungsabgabe der Turbine durch ein Verfahren nach dem ersten Aspekt durch Zuführen der flüssigen Tröpfchen zu dem durch den Axialverdichter aufgenommenen Arbeitsmedium über eine Betriebsperiode hinweg, in Form einer Mehrzahl von Massenstrominkrementen von zerstäubter Flüssigkeit, wobei die Tröpfchenzuführeinrichtung eine erste im wesentlichen neben dem Verdichtereinlass angeordnete Einrichtung enthält zum Zuführen von Flüssigkeitströpfchen davon zu dem durch den Axialverdichter aufgenommenen Arbeitsmedium und eine Zusatzeinrichtung zum Zuführen der Flüssigkeitströpfchen zu dem Arbeitsmedium, welche Zusatzeinrichtung mit einem größeren Abstand weg von dem Verdichtereinlass als die erste Einrichtung angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Tröpfchenzugabeeinrichtung mit einem ausreichenden Abstand weg von dem Verdichtereinlass angeordnet, so dass dann, wenn im Betrieb unter Last irgendein Element der Tröpfchenzugabeeinrichtung von dem Rest wegbricht, ein solches Element durch Gravitation zu einer tieferen Oberfläche eines Lufteinlasskanals gezogen wird, der an dem Turbinengehäuse angebracht ist und vor dem Verdichtereinlass liegt, bevor es in Kontakt mit irgendeinem Element des Verdichters selbst gezogen wird.
In einem weiteren Aspekt sieht die Erfindung eine Vorrichtung zur Leistungserzeugung vor, die eine Industriegasturbine enthält mit einem mehrstufigen Axialverdichter mit einem Einlass zur Aufnahme eines Luft enthaltenden Arbeitsmediums; einer Einlassluftverdampfungskühlungseinrichtung zum Kühlen der Umgebungsluft, die dem Verdichtereinlass zugeführt wird und, getrennt von der Einlassluftverdampfungskühlungseinrichtung, einer Tröpfchenzugabeeinrichtung zum stufenweisen Erhöhen der Nettoleistungsabgabe der Turbine durch ein Verfahren nach dem ersten Aspekt durch Zuführen von flüssigen Wassertröpfchen zu dem durch den Axialverdichter aufgenommenen Arbeitsmedium über eine Betriebsperiode hinweg, in Form einer Mehrzahl von Massenstrominkrementen von zerstäubtem flüssigen Wasser in einer Menge, um eine vollständige Befeuchtung des Arbeitsmediums zu erreichen und eine Maßnahme der Zwischenstufenverdampfungskühlung in einer oder mehreren Stufen des Verdichters. Vorzugsweise ist die Tröpfchenzuführeinrichtung mit einem ausreichenden Abstand weg von dem Verdichtereinlass angeordnet, so dass dann, wenn im Betrieb unter Last irgendein Element der Tröpfchenzuführeinrichtung von dem Rest wegbrechen sollte, ein solches Element durch Gravitation zu einer tieferen Oberfläche eines Lufteinlasskanals, der an dem Turbinengehäuse angebracht ist und vor dem Verdichtereinlass liegt, gezogen wird, bevor es in Kontakt mit irgendeinem Element des Verdichters selbst gezogen wird.
Die vorliegende Erfindung sieht eine Vorrichtung und ein Verfahren vor, die eine Erhöhung der Nettoleistungsabgabe einer Gasturbine durch Zuführen flüssigen Wassers zu dem Einlass einer Industriegasturbine erreichen, und insbesondere, um eine solche Zunahme zu ermöglichen, die in Industriegasturbinen durch die Zugabe von flüssigem Wasser zu dem Verdichter der Turbine oberhalb von einem Sättigungsgrad oder einem Grad vollständiger Befeuchtung der Verdichtereinlassluft realisiert wird. Ein bereits angemerkter Effekt dieser Zugabe ist es, den Temperaturanstieg des Arbeitsmediums infolge Kompression zu reduzieren und dabei die Nettoleistungsabgabe zu erhöhen, die für ein kontinuierliches unbegrenztes Fahren eines angegliederten Generators oder chemischen Bearbeitungsverdichters oberhalb der Nettoleistungsabgabe verfügbar ist, die bei vergleichbaren Bedingungen in jeder anderen Hinsicht verfügbar ist. In bevorzugten Ausführungsformen wird zumindest ein 10%iger Anstieg der Nettoleistungsabgabe einer Industriegasturbine realisiert über der, die mit vollständig wirksamer Verdampfungskühlung der Kompressoreinlassluft erreichbar wird.
Die Zuführrate (oder Entfernungsrate) von flüssigem Wasser kann kontrolliert werden, um die oben genannten schwächenden Thermoschocks zu vermeiden.
Wärme und Feuchtigkeit können dem Arbeitsmedium zugeführt werden, um eine kontinuierliche Leistungserhöhung während der Perioden zu ermöglichen, wenn die Temperatur des Arbeitsmediums auf andere Weise auf ein Niveau fällt, das das Auftreten einer schädlichen Eisbildung in dem Einlass des mehrstufigen Axialverdichters einer Gasturbine ermöglichen würde.
Die Temperaturmessung in dem Verdichtereinlass der Gasturbine kann verwendet werden, um (1) gegen die Möglichkeit einer in dem Einlass auftretenden Vereisung solchen Ausmaßes zu schützen, dass dieses Eis, wenn es weggebrochen ist, stromabwärts liegende Elemente der Gasturbine beschädigen könnte, (2) die Verwendung gefrierender Kontrollmaterialien zu minimieren, wie beispielsweise entweder Dampfes oder eines Gefrierpunktsenkers, und/oder (3) eine Eingabe einem Kontrollsystem zuzuführen, das verwendet wird, um die Gesamtwasserzugabevorrichtung und das Verfähren zu koordinieren, anzuzeigen und/oder zu kontrollieren. Es wird bevorzugt eine Sichtöffnung nahe dem Verdichtereinlass so vorgesehen, dass eine Vereisung visuell ebenso angezeigt werden kann.
Das Vorsehen einer ausreichend gleichmäßigen Verteilung flüssigen Wassers in dem Arbeitsmedium begrenzt die Deformation des Gehäuses (Gehäuses) auf ein im Wesentlichen vorherbestimmtes akzeptables beschränktes Maß (wie beispielsweise bestimmt in einem Zusammenhang mit einem Umbau durch in einem herkömmlichen Betriebsmodus anwendbare Toleranzen), so dass eine Beschädigung des mehrstufigen Axialverdichters einer Gasturbine vermieden wird. Die mögliche Deformation oder Winkeldeformation in einer Industriegasturbine, die aus der Zugabe von ausreichend Wasser resultieren kann, um Nettoanstiege bei der Turbinenleistungsabgabe von 10% oder mehr über der mit vollständig befeuchteter Luft erreichbaren zu erzielen, kann gemessen und so überwacht werden, dass dieser Schaden vermieden wird.
Das Risiko für die Turbine, dass Elemente einer Wasserzugabevorrichtung wegbrechen und mit der Einlassluft zu dem Verdichtereinlass der Turbine transportiert werden, kann minimiert werden durch (a) Anordnen einer Einrichtung zur Zugabe solchen Wassers in einem ausreichenden Abstand weg von dem Einlass des Verdichterabschnitts, wobei, für den Fall, dass irgendein Element der Vorrichtung tatsächlich wegbricht und mit der Einlassluft zu dem Verdichtereinlass getragen wird, dieses Element durch Gravitation zu einer tieferen Oberfläche des Einlasskanals gezogen wird, der verwendet wird, um Luft in die Gasturbine vor dem Eintritt in den Verdichtereinlass zu befördern, und (b) durch Zuführen zerstäubten Wassers durch die Vorrichtung (vorzugsweise in einer Mehrzahl von Schritten, geordnet nach Zeit und Position, um kontrollierbar den Massenstrom an Wasser in den Verdichter hinein zu erhöhen), die die Trennung der Vorrichtung von dem Verdichtereinlass vorausgesetzt, ausreichend in die Einlassluft mitgerissen wird und damit in den Verdichterabschnitt der Turbine mitgetragen wird zum Ermöglichen eines Grades der Leistungserhöhung der Turbine.
Das Temperaturprofil der flüssigkeitsgekühlten Rotorblätter in dem Turbinenabschnitt kann angezeigt werden, so dass ein Zusetzen der Kühlwege in diesen Rotorblättern z. t. durch Einfluss von Verschmutzungen in dem durch die Vorrichtung und das Verfahren zugeführten Wasser zu der frühestmöglichen Zeit festgestellt werden kann.
Eine Industriegasturbine, die ein Leistungserhöhungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung verwendet, kann im Betrieb von der Anhäufung unterhalb der anfänglich mehreren Reihen von Kompressorblättern von Verunreinigungen von dem zugeführten Wasser effektiv gereinigt werden.
Diesbezüglich werden derzeit Gasturbinenverdichter periodisch wiederkehrend gereinigt, um Aufwachsungen von Teilchen auf inneren Komponenten zu entfernen. Etwas von dieser Reinigung kann ohne vollständiges Abschalten der Gasturbine durchgeführt werden und Materialien wie Wasser, Grundnussschalen, Reis oder chemische Reinigungsmischungen können entweder gesprüht, geblasen oder anderweitig eingeführt werden in den Einlass der Gasturbine, nachdem die Gasturbine im Betrieb für einen solchen Reinigungsbetrieb konfiguriert wurde. Zumindest eine solcher chemischen Mischungen ist in US-A-4,808,235 offenbart, mit dem Titel "CLEANING GAS TURBINE COMPRESSORS", erteilt am 28. Februar 1989 für Woodson, et al.
Andere Systeme zur Minimierung des Aufwachsens von Partikeln auf inneren Komponenten von Gasturbinen richten sich auf die Reinigung der Gasturbineneinlassluft, wie es beispielsweise in US-A-4,926,620 offenbart ist, mit de Titel "CLEANING GAS TURBINE INLET AIR", erteilt am 22. Mai 1990 für Donle.
Turbinen unter Verwendung der Leistungserhöhung nach der vorliegenden Erfindung können offline gereinigt werden.
Der in der vorliegenden Erfindung verwendete Axialverdichter kann einen Lufteinlasskanal haben, dessen Strömungsachse im Wesentlichen mit der Rotationsachse des Gasturbinenrotors fluchtet.
Alternativ kann die Lufteinlasskanalachse im Wesentlichen rechtwinklig zu der Rotationsachse des Gasturbinenrotors liegen.
Die verdichtete Luft des Axialverdichterabschnitts kann vorgefiltert werden, bevor sie für die Kühlung des Turbinenrotorblätterabschnitts verwendet wird, so dass eine aus dem Wasser stammende mit den Verunreinigungen verbundene Ablagerung an Kühlwegen in dem Turbinen- Rotorblätterabschnitt minimiert wird oder im Wesentlichen nicht auftritt.
Die vorliegende Erfindung kann auf Gasturbinensysteme angewendet werden, die derzeit in Betrieb sind, ohne einer wesentlicher Wartung, Umrüstung oder eines "Herunterfahrens" der Gasturbinenmaschine zu bedürfen.
Die vorliegende Erfindung erlaubt eine vollständige Verdampfungskühlung der Verdichtereinlassluft ebenso wie eine Leistungserhöhung durch weitere Wasserzugabe bei Turbinen, die bis dahin nicht Einlassluftverdampfungskühlungseinrichtungen verwendet haben.
Das Verfahren nach der Erfindung kann für sechs Stunden oder länger innerhalb einer gegebenen Zeitdauer von 24 Stunden verwendet werden, um die Nettoleistungsabgabe einer Industriegasturbine, die einen Generator oder Verdichter antreibt, zu erhöhen.
Die Gasturbinenleistungsabgabeerhöhung nach der vor liegenden Erfindung kann einfach durch kontinuierliches Zuführen zumindest einer Waschwassermenge an flüssigem Wasser eines herkömmlichen Verdichters zu dem Verdichtereinlass einer Industriegasturbine über eine ausgedehnte Zeitdauer hinweg (d. h. ausgedehnt über das, was durch Erwägungen beim Online- Waschen vorgegeben wird) erreicht werden, und insbesondere zu dem Verdichtereinlass einer Industriegasturbine, die getrennte herkömmliche Einlassluftverdampfungskühlungseinrichtungen enthält, beispielsweise Verdampfer oder medienartige Verdampfungskühlungssysteme. Wo Online- Verdichterwäschen derzeit durchgeführt werden, um einige der Turbinenleistungs(Leistungsabgabe)-Verluste in Verbindung mit einer Verschmutzung aus der Kompression von normalbefeuchteter Luft wiederherzustellen, sind diese typischerweise in ihrer Dauer auf 30 bis vielleicht 90 Minuten begrenzt, wie bestimmt durch das, was praktisch bezüglich der Leistungsfähigkeit von kontinuierlichem Waschen gegenüber den Kosten eines solchen kontinuierlichen Waschens bezüglich der Energieanforderungen, Erosion der Verdichterblätter, Blattdeckschichtverlusten usw. wiederhergestellt werden kann.
Eine Verdichterwaschwassermenge kann kontinuierlich zugeführt werden, beispielsweise durch ein bestehendes Online-Verdichterwaschsystem oder kann fern ab von einem Online-Waschzyklus ausgelöst werden, um die Leistungserzeugung von einer Industriegasturbine zu erhöhen, die mit einem solchen Online-Verdichterwaschsystem ausgestattet ist, das empfindlich für einen vorweggenommenen oder aktuellen Anforderungsanstieg an die Leistung der Turbine ist, oder um das gewünschte Niveau einer Leistungserzeugung bei einem Wechsel der Umgebungsluftbedingungen beizubehalten. Im Gegensatz jedoch zu vorherrschend verwendeten Online-Verdichterwaschsystemen, die ein grobkörniges Waschsprühen für das Entfernen von Ablagerungen auf verschmutzten Verdichterkomponenten erzeugen, wird vorzugsweise in diesem Leistungserhöhungszusammenhang das Wasser überwiegend oder vollständig als ein feiner Nebel mit einem mittleren Durchschnittströpfchendurchmesser von vorzugsweise 200 Mikrometern oder weniger zugeführt.
Die Massenstromrate der flüssigen Tröpfchen kann modifiziert werden im Hinblick auf die Zeit, um thermische Spannungen innerhalb der Gasturbine abzumildern, die in Bezug stehen zu der Zuführung des flüssigen Wassers zu dem Arbeitsmedium und danach flüssiger Wassertröpfchen, die dem Arbeitsmedium zugeführt werden, erfasst durch den Verdichter, mit einer im Wesentlichen konstanten Massenstromrate, um die Nettoleistungsabgabe der Gasturbine durch Nasskompression zu erhöhen.
Wärme und Feuchtigkeit können dem Arbeitsmedium zugeführt werden, um eine kontinuierliche Leistungserhöhung während Perioden zu ermöglichen, in denen die Temperatur des Arbeitsmediums auf andere Weise auf ein Niveau abfällt, was es ermöglichen würde, dass eine schädliche Eisbildung in dem Einlass auftritt.
Eine ausreichend gleichmäßige Verteilung von flüssigem Wasser in dem Arbeitsmedium kann sichergestellt werden, um eine Winkeldeformation des Gehäuses auf ein im Wesentlichen vorbestimmtes akzeptables Grenzmaß zu beschränken, das die Beschädigung des mehrstufigen Axialverdichters vermeidet.
Eine Winkeldeformation in dem Gehäuse, die durch das Zuführen von flüssigem Wasser zu dem Arbeitsmedium verursacht wird, kann angezeigt werden.
Zusätzlich kann das Temperaturprofil der flüssigkeitsgekühlten Rotorblätter in dem Turbinenabschnitt, in dem das Brenngas seine kinetische Energie mit den Rotorblättern austauscht, angezeigt werden. Das Temperaturprofil der flüssigkeitsgekühlten Rotorblätter ist eine Maßnahme, die dabei hilft, ein Verstopfen zu identifizieren, das sich aus Mineralien und anderen Festkörperniederschlägen von dem vernebelten Wasser in den Verdichterluftstrom ergibt, der zum Kühlen der Rotorblätter des Turbinenabschnitts verwendet wird. Das Temperaturprofil wird ebenfalls verwendet zum Identifizieren eines Schadens, der auf der Oberfläche eines mehrschichtigen Turbinenabschnittsblattes aus erosiven Effekten von Wasser auftritt, das durch den Verdichter in den Turbinenabschnitt transportiert wird, oder von Festkörperniederschlag in dem Verdichterluftstrom.
Die Temperatur in dem Verdichtereinlass kann angezeigt werden, um (1) vor der Möglichkeit einer Vereisung zu schützen, die in dem Einlass in einem solchen Grad auftritt, dass dieses Eis, wenn es wegbricht, stromabwärts gelegene Elemente der Gasturbine beschädigen kann, (2) die Verwendung von Vereisungsüberwachungsmaterialien zu minimieren, wie beispielsweise entweder Dampf oder eines Gefrierpunktsenkers und/oder (3) einen Einlass zu einem Überwachungssystem vorzusehen, der verwendet wird, um eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Gesamtleistungserhöhung zu koordinieren, anzuzeigen und/oder zu überwachen.
Eine Online-Reinigung des Verdichters einer Industriegasturbine kann durch Verwendung eines Leistungserhöhungsverfahrens nach der vorliegenden Erfindung von löslichen Ablagerungen erreicht werden, die bei der Verdampfung von zugeführtem Wasser hinterlassen werden, und von anderen aus der Luft stammenden Verdichterverunreinigungsmaterialien, die durch den Verdichter durch seinen Lufteinlass erfasst werden, welcher Online- Reinigungsprozess (auf einer periodischen oder intermittierenden Basis, wenn eine Reinigung angezeigt oder gewünscht ist) ein oder mehreres enthält von: a) Zusetzen einer Mehrzahl von feinnebligen Inkrementen flüssigen Wassers, die für Leistungserhöhungszwecke mit einem herkömmlichen grobkörnigen Waschinkrement zugegeben werden, oder Ersetzen eines oder mehrerer der feinnebligen Inkremente mit einem entsprechenden Massenstrom an Wasser in einer herkömmlichen grobkörnigen Waschform; b) intermittierendes oder periodisches Zuführen eines oder mehrerer zusätzlicher feinnebliger Inkremente zu dem, was auf einer im Wesentlichen kontinuierlichen Basis für die Zwecke einer Leistungserhöhung zugeführt wird; und c) periodisches oder intermittierendes kontrolliertes Entfernen aller Inkremente der Wasserzugabe zu dem Verdichter und Betreiben für eine ausreichende Zeitdauer ohne eine solche Wasserzugabe, um die Verunreinigungsablagerungen zu verdampfen und/oder aufzubrechen. Eine zyklische Durchführung dieser Schritte wird ebenfalls in Betracht gezogen und kann vorteilhaft sein.
In einem alternierenden Online-Reinigungsprozess, der im Allgemeinen für die Verwendung bei Turbinen bevorzugt würde, die mit drosselbaren Einlassführungsschaufeln (oder IGU's) ausgerüstet sind, wird ein tieferes Eindringen des flüssigen Wassers in den Verdichterabschnitt ähnlich erreicht, ohne Zuführen eines oder mehrerer zurückbehaltener Inkremente einer Wasserzugabeleistung, wie bereits beschrieben, durch periodisches oder intermittierendes (wenn eine Reinigung als wünschenswert angezeigt ist) Drosseln der Einlassführungsschaufeln der Turbine während einer Online- oder entsprechenden Reduzierung des Lufteinlasses zu dem Verdichter. Diese alternierende Einrichtung einer Online-Reinigung ist vorteilhaft bei einer nicht daraus folgenden zusätzlichen Kapitalinvestition, wie sie in Verbindung stehen kann mit der Zurückstellung eines oder mehrerer "Reinigungs"-Inkremente einer Zugabe von flüssigem Wasser, bei dem Gestatten der fortgesetzten Zugabe einer im Wesentlichen gewünschten Massenstromrate an Wasser zu dem Verdichter und wo es aus verschiedenen Gründen nicht möglich oder ratsam sein kann, die wünschenswerterweise verwendete Massenstromrate zwecks eines Anstiegs zu überschreiten.
Ein Offline-Verdichterreinigungsprozess, der speziell für die Verwendung in einer Industriegasturbine angepasst ist, unter Verwendung einer Leistungserhöhung durch Nasskompression gemäß der vorliegenden Erfindung, enthält anfänglich das Bringen der Turbine offline auf eine reduzierte Rotorgeschwindigkeit und das Kühlen des Verdichters bei einer zweiten Rotorgeschwindigkeit bei der Vorbereitung für eine nachfolgende Einführung einer schäumbaren Reinigungszusammensetzung. Danach wird in einer oder mehreren schrittweisen Näherungen mit Durchnässungs- und Spülschritten, die in den folgenden zwei Sätzen beschrieben werden, ein Rotationsverhältnis zwischen der ersten reduzierten Rotorgeschwindigkeit und der zweiten Rotorgeschwindigkeit eingestellt, das für die Verteilung einer geschäumten Reinigungszusammensetzung im Wesentlichen über die Länge des Turbinenverdichters hinweg geeignet ist, und ein geschäumter Reiniger wird in dem Verdichter gebildet oder in diesen eingegeben. Ein reduzierter Durchnässungsrotationstakt von 0 Umdrehungen/Minute (rpm) und mehr (jedoch, was weniger als die zweite Rotorgeschwindigkeit ist) wird dann eingestellt und die geschäumte Reinigungszusammensetzung wird für eine Zeitspanne an Ort und Stelle belassen. Die Rotorgeschwindigkeit wird in ausreichendem Maße erhöht, um den Schaum aus dem Verdichter zu entfernen und eine Spülung mit flüssigem Wasser wird vervollständigt (vorzugsweise mittels einer Wasserzugabevorrichtung, die bei der Durchführung einer Leistungserhöhung durch Nasskompression bei der vorliegenden Turbine verwendet wird), vor dem Neustart der Turbine.
Nur eine herkömmliche Verdichterwasserwaschvorrichtung (vorzugsweise ist die Verdichterwaschvorrichtung, wo sie alleine verwendet wird, ein Typus, der geeignet ist, um ein feinnebliges Spray auszusenden, gekennzeichnet durch einen mittleren Durchschnittströpfchendurchmesser von vorzugsweise 200 Mikrometer oder weniger), eine Sprühständergruppenanordnung, die zumindest eine Sprühständerwasserleitung und zumindest eine Sprühständerwasserdüse umfasst, oder eine Kombination aus einer herkömmlichen Verdichterwasserwaschvorrichtung (feinnebliges oder grobkörniges Spray) und einer Sprühständergruppenanordnung kann in der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Ein Lasersende- und Laserzielmesssystem, das an der Außenseite des Gehäuses befestigt ist, kann für die Feststellung einer Deformation in dem Gehäuse verwendet werden.
Ein optisches Pyrometer kann für die Überwachung der ausgesandten Energie eines jeden der gekühlten Rotorblätter durch ein Beobachtungsrohr und für die Kennzeichnung des Temperaturprofils eines jeden der flüssigkeitsgekühlten Rotorblätter verwendet werden.
Temperatursensoren können zum Überwachen der Temperatur im Verdichtereinlassbereich verwendet werden, um (1) gegen die Möglichkeit einer Vereisung zu schützen, die in dem Einlass in einem solchen Maß auftreten eisung zu schützen, die in dem Einlass in einem solchen Maß auftreten kann, dass das Eis, wenn es wegbricht, die stromabwärts liegenden Elemente der Gasturbine beschädigen oder einen Stillstand durch Trockenlegen des Verdichters hervorrufen kann, (2) die Verwendung von Gefrierkontrollmaterialien zu minimieren, wie beispielsweise entweder Dampf oder einen Gefrierpunktsenker, und/oder (3) eine Eingabe zu einem Kontrollsystem vorzusehen, die verwendet wird, um die Vorrichtung und das Verfahren zur Gesamtnasskompression zu koordinieren, anzuzeigen und/oder zu kontrollieren.
Ein Prozesssteuerungscomputer, der eine Prozesssteuerungslogik ausführt, kann verwendet werden, um den Massenstrom an vernebeltem Wasser zu dem Verdichtereinlass zu steuern, so dass eine Deformation in dem Gasturbinengehäuse minimiert wird.
Zusätzliche Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden offensichtlicher aus dem Studium der detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung in diesen unterschiedlichen Aspekten und in Betrachtung der beigefügten Zeichnungen, in denen:
Fig. 1 einen Überblick einer typischen Gasturbinenleistungserzeugungseinrichtung zeigt (der angegliederte elektrische Generator ist nicht direkt in Fig. 1 gezeigt, jedoch wird angenommen, dass er vorliegt), die verwendet wird, um eine elektrische Leistung aus der Verbrennung von Brennstoff mit Luft zu erzeugen;
Fig. 2A und 2B Details einer Gasturbinenmaschine mit einem Axialverdichter zeigen;
Fig. 3 das Positionieren einer Sprühgestellgruppenanordnung zeigt, die in der Gasturbinenleistungserzeugungseinrichtung nach Fig. 1 verwendet wird (angegliederte Dampfleitungen sind ebenfalls nicht gezeigt);
Fig. 3A eine vergrößerte Ansicht von Details der Sprühgestellgruppenanordnung und Dampfleitungen ist,
Fig. 4 weitere Details für den Aufbau des Sprühgestells zeigt, in Darstellung einer Aufrissansicht der relativen Position der einzelnen Sprühgestellwasserleitungen, der Position einer jeden Sprühgestellwasserdüse und der Verwendung der Sprühgestellversteifer;
Fig. 5 eine Draufsicht zeigt, die Details der Sprühgestellanordnung nach Fig. 3 und 4 zeigt, mit einem Dampfrohrverteiler zum Zuleiten von Dampf zu den Dampfleitungen;
Fig. 6 Details für die Anzeige einer Deformation des Gehäuses des Gasturbinenmaschinensystems wiedergibt, das beispielsweise in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist; und
Fig. 7-9 die im Beispiel 2 unten erzielten Ergebnisse grafisch darstellt.

DEFINITION VON BEGRIFFEN

"Industriegasturbine" meint zumindest eine 20 Megawatt oder eine Turbine mit mehr Megawatt, die für stationäre Leistungserzeugung bei Industrie- und Leistungserzeugungsanwendungen bei Versorgungsbetrieben verwendet werden. Der Begriff "Industriegasturbine" kann Hochleistungs- ebenso wie Flugzeugableitungsturbinen enthalten.
"Hochleistungsgasturbine" bezieht sich auf einen Typ einer Gasturbine, der von dem Gestaltungsgesichtspunkt her nicht speziell ausgestaltet ist, um abrupte Wechsel signifikanter Höhe bei der Leistungsabgabe hinzunehmen. Hochleistungsgasturbinen sind daher dazu vorgesehen, insbesondere Flugzeugturbinen zu kennzeichnen. Eine Flugzeugturbine ist im Gegensatz zu einer Hochleistungsgasturbine ebenfalls speziell ausgestaltet, um eine große Menge an flüssigem Wasser in ihrer normale Betriebsumgebung und im Betrieb aufzunehmen.
"Arbeitsmedium". Das typische Arbeitsmedium einer Gasturbine ist ein Gas; das typische Arbeitsmedium in dem Verdichter einer Gasturbine ist befeuchtete Luft. In der vorliegenden Erfindung wird das Arbeitsmedium entspannt, um flüssiges Wasser zu enthalten, das innerhalb des thermodynamischen Kreislaufs der Gasturbine verdampft wird, um Gas zu erzeugen. Das Arbeitsmedium kann seine Zusammensetzung ändern, wenn es durch die Industriegasturbine fortschreitet (dies infolge der Injektion von Materialien und von dem Verbrennungsprozess). In dieser Hinsicht kann das Arbeitsmedium an unterschiedlichen Positionen entlang der Gasturbinenachse, wenn es durch den Arbeitskreislauf der Gasturbine fortschreitet, entweder ein Gasgemisch, eine Zwei-Phasen-Flüssigkeit in einem Gasgemisch, eine Zwei-Phasen-Mischung fester Teilchen in einem Gas oder eine Drei-Phasen-Mischung einer Flüssigkeit und von festen Teilchen in einem Gas sein.
"Nettoleistungsabgabe" steht in Bezug zu der Nettoleistungsabgabe einer Gasturbine und meint die verfügbare Wellenleistung zum Antreiben eines Generators oder Prozessverdichters (extern zu der Gasturbine). Die Nettoleistungsabgabe einer Gasturbine wird durch Drehmoment und Geschwindigkeit der Rotorwelle gemessen und kann ausgedrückt werden durch die Begriffe Pferdestärke oder Megawatt. Wenn sie als Megawatt ausgedrückt wird, enthält der Begriff Nettoleistungsabgabe im Allgemeinen Generatorverluste. Wenn Nettoleistungsabgaben unter vergleichbaren Bedingungen verglichen werden, jedoch mit und ohne zugeführtes flüssiges Wasser, enthalten die vergleichbaren Bedingungen ein vergleichbares Verfahren zur Messung der Nettoleistungsabgabe.
"Zugabe von Wärme und Feuchtigkeit" bezieht sich auf die fortfolgende Zugabe von Wärme und Feuchtigkeit zu dem Arbeitsmedium bis zum Sättigungspunkt des Arbeitsmediums.
"Winkeldeformation" bezieht sich auf eine Bedingung eines Biegens oder einer Verformung des Gehäuses, die zu einer Beeinflussung zwischen dem Rotor und dem Gehäuse der Turbine führen kann.
"Schaden" meint die schädliche Veränderung einer der Komponenten der Gasturbine unter das, was in dem Verlauf einer sinnvollen Nutzung und eines sinnvollen Betriebes erwartet würde. Mit der Nasskompression wird ein bestimmter akzeptabler Grad an Erosion der Blattbeschichtung oder des Blattmaterials erwartet.
"Wasser" meint Wasser, das als Zusammensetzung nützlich für die Eingabe in die Gasturbine für die Zwecke der Leistungserhöhung durch Nasskompressionen ist. Es kann Verunreinigungen und herkömmliche oder vorteilhafte Additive enthalten, wie beispielsweise einen Gefrierpunktsenker oder Materialien zum Reduzieren der oder als Gegenmaßnahme gegen die Tendenz des zugefügten Wassers, Turbinenkomponenten zu korrodieren oder Legierungskomponenten zu erodieren, die beim Aufbau der verschiedenen Strukturelemente der Gasturbine verwendet werden, mit denen das Wasser in Berührung kommen kann.
"Variieren einer Anzahl von Massenstrominkrementen in einer ausgeglichenen Art und Weise" bezieht sich auf Inkremente einer Wasserzugabe zu dem Arbeitsmedium. Der Begriff "ausgeglichene Art und Weise" bezieht sich auf einen Schritt, wie er qualifiziert wurde, als keine Verformung des Gasturbinengehäuses verursachend, die eine Grenze einer akzeptablen Winkeldeformation überschreitet, wenn der Schritt realisiert wird und weiter, dass die kombinierten Schritte nicht eine inakzeptable Winkeldeformation in dem Gehäuse erzeugen können, nachdem ein Schritt (Schritte) entweder zu dem vorherigen Satz von kombinierten Schritten hinzugefügt oder von diesem abgezogen wurde.
"Ausreichend gleichmäßige Verteilung" bezieht sich auf eine Verteilung flüssigen Wassers in dem von dem Verdichter erhaltenen Arbeitsmedium, was im Gegenzug eine Verteilung von flüssigem Wasser innerhalb des Verdichters zum Ergebnis hat, die keine Verformung des Gasturbinengehäuses verursacht, die über eine akzeptable Winkeldeformationsgrenze hinausgeht.
"Verbesserte Brennstoffausbeute" meint die Erzeugung von mehr Nettoleistungsabgabe pro Brennstoffeinheit, wenn flüssiges Wasser dem Arbeitsmedium zugegeben wird, als unter vergleichbaren Bedingungen, jedoch ohne dass das Wasser dem Arbeitsmedium zugegeben wurde, erreicht wird.
Unter nunmehrigen Zuwenden zu Fig. 1 ist dort ein Überblick über eine Gasturbinenleistungserzeugungseinrichtung 100 gegeben, die zur Erzeugung elektrischer Leistung aus der Verbrennung von Brennstoff mit Luft verwendet wird und die beispielhaft für eine Einrichtung ist, die eine Vorrichtung und ein Verfahren nach der vorliegenden Erfindung verwenden kann (der angegliederte elektrische Generator ist nicht direkt in Fig. 1 gezeigt, jedoch wird vermutet, dass er vorhanden ist). Die Gasturbinenleistungserzeugungseinrichtung 100 enthält eine Gasturbine oder eine Gasturbinenmaschine 101, die einen Axialverdichter oder einen Axialverdichterabschnitt 103 enthält, wobei der Axialverdichterabschnitt 103 einen Verdichtereinlass 102 zur Aufnahme eines Luft enthaltenden Arbeitsmediums aufweist. Es wird verstanden, dass die Gasturbinenmaschine 101 und der Axialverdichterabschnitt 103 nur der Veranschaulichung dienen, und dass die Erfindung an anderen Gasturbinenmaschinenarten, die im Stand der Technik bekannt sind, ausgeübt werden kann. Es wird ebenfalls verstanden, dass die Erfindung vorteilhaft mit einem Axialverdichterabschnitt verwendet werden kann, der z. B. mehrere Stellen für die Zugabe von flüssigem Wasser zu dem Arbeitsmedium eher als einen einzigen Einlass zur Zugabe von flüssigem Wasser in das Arbeitsmedium aufweist.
Ein Einlassluftfilter 109 ist über einen Einlassluftkanal 133 mit dem Verdichtereinlass 102 (siehe Fig. 2A) verbunden, welchem Einlassluftfilter 109 in bestimmten Ausführungsformen eine herkömmliche Einlassluftverdampfungskühlungsvorrichtung (nicht gezeigt) vorausgehen oder folgen kann. Der Einlassluftkanal 133 besteht aus einem zusammenführenden Abschnitt 135 des Einlassluftkanals, einem verengten Abschnitt 137 des Einlassluftkanals (mit einer tieferen Oberfläche 136) und einem Rohrverteilerabschnitt 139 des Einlassluftkanals mit einer Beobachtungsöffnung 413.
In einigen Fällen wird eine Hitzerückgewinnungseinheit 131 verwendet, um Dampf von dem ausgeblasenen Gas des Turbinenabschnitts zu erzeugen. Der durch die Wärmerückgewinnungseinheit 131 erzeugte Dampf kann verwendet werden, um beispielsweise elektrische Energie von einer Dampfturbine zu erzeugen oder eine dampfbetriebene Einrichtung zu betreiben, chemischen Verarbeitungseinrichtungen Wärme zuzuführen.
Die Fig. 2A und 2B zeigen weitere Details, betreffend die Gasturbinenmaschine 101. Nach dem Eintritt in den Verdichtereinlass 102 wird die Luft in dem Axialverdichterabschnitt 103 unter Verwendung einer Reihe von Verdichterstufen 113 verdichtet. Nach der Kompression strömt die verdichtete Luft dann in die Brennkammern 105 in dem Verbrennungsabschnitt, wo sie mit Brennstoff vermischt und der Brennstoff verbrannt wird, um heißes unter Druck stehendes Gas für die Verwendung beim Antrieb des Turbinenabschnitts 107 zu erzeugen. Der Turbinenabschnitt 107 weist eine Reihe von Turbinenabschnittsstufen 108 auf, die schrittweise (1) die Energie des heißen unter Druck stehenden Gases in Arbeit umwandeln, was als ein drehender Rotor 111 angezeigt wird (vorzugsweise mit beschichteten Komponenten in dem Turbinenabschnitt 107) und (2) ein ausgeblasenes Gas mit niedrigerer Temperatur und Druck erzeugen, als das heiße unter Druck stehende Gas, was in die entsprechende Turbinenabschnittsstufe 108 eintritt. Das Abgas von einer solchen ersten Turbinenabschnittsstufe 108 ist dann das heiße unter Druck stehende Gas für die zweite Stufe; das Abgas von der letzten Stufe ist ebenfalls das Abgas von dem Turbinenabschnitt 107.
Der Rotor 111 ist ein Teil von sowohl dem Turbinenabschnitt 107 als auch dem Axialverdichterabschnitt 103 und enthält die Rotorwelle 187 und den Satz aller Rotorblätter (115, 121) sowohl in dem Turbinenabschnitt 107 als auch in dem Axialverdichterabschnitt 103, befestigt auf der Rotorwelle 127. Die Rotorwelle 127 treibt sowohl den Axialverdichterabschnitt 103 als auch einen elektrischen Generator oder einige andere nützliche Maschinen an, wie beispielsweise - ohne Einschränkung - einen großen Verdichter, der bei chemischen Prozessen verwendet wird. In dieser Hinsicht ist die Rotorwelle 127 entweder eine einzelne Strukturkomponente oder alternativ eine Reihe von individuellen Komponenten, die mechanisch aneinander befestigt sind, um eine virtuelle einzelne Strukturkomponente zu bilden.
Die verschiedenen Gase und Flüssigkeiten innerhalb der Gasturbinenmaschine 101 sind im Wesentlichen in einem Gehäuse 125 enthalten, das einen Innenraum der Gasturbinenmaschine 101 bestimmt, um (a) die vorverdichtete Luft zu kanalisieren, (b) die verdichtete Luft in ihrem Fortschreiten durch die aufeinanderfolgenden Verdichterstufen 113 zu enthalten, (c) eine Druckschale vorzusehen, um die Verdichterentleerung um die Brennkammer(n) 105 herum in dem Verbrennungsabschnitt zu enthalten, (d) das heiße unter Druck stehende Gas zu enthalten, in dem Brennstoff verbrannt wird, wenn dieser sich in dem Turbinenabschnitt 107 entspannt und (e) Abgas zu kanalisieren, während es sich innerhalb der Verbrennungsmaschine 101 aufhält. Das Gehäuse 125 wird üblicherweise aus verschiedenen unterschiedlichen Teilen aufgebaut, die im Wesentlichen miteinander verbunden sind.
Im Axialverdichterabschnitt 103 besteht jede Verdichterstufe 113 aus einer Reihe von Verdichterrotorblättern 115, die an der Rotorwelle 127 befestigt sind, und den vorangehenden und folgenden Sätzen von Verdichterstatorblättern 117, wo für jeden Satz die Verdichterstatorblätter 117 als eine Reihe befestigt sind, in radial versetzter Art und Weise als eine stationäre Blattreihe. Die Verdichterstatorblätter 117 sind (a) näherungsweise dicht an der Innenwand des Gehäuses 125 angepasst eingebaut und (b) gegenüber dem Rotor 111 abgedichtet (üblicherweise mit Labyrinthdichtungen) in einer solchen Art und Weise, dass im Betrieb eine wesentliche Flüssigkeitsabdichtung einer Verdichterstufe 113 von ihren benachbarten Verdichterstufe(n) 113 ermöglicht wird. Die Verdichterrotorblätter 115 und die Verdichterstatorblätter 117 funktionieren zusammen so, dass sie den Druck der Luft erhöhen, die durch die Verdichterstufe 113 hindurchfließt durch (1) Übertragen kinetischer Energie auf die Luft (oder einen Gasstrom) von den rotierenden Verdichterrotorblättern 115 und (2) Kanalisieren des Luftstroms, was zu einem Druck- und Temperaturanstieg in der Luft führt, da die Luft durch die Verdichterstatorblätter 117, die den Verdichterrotorblättern 115 folgen, verzögert wird. Das Druckverhältnis des Auslassdruck zu dem Einlassdruck in einer Verdichterstufe 113 ist durch aerodynamische Eigenfaktoren begrenzt, so dass mehrere Verdichterstufen 113 üblicherweise benötigt werden, um ein höheres Gesamtdruckverhältnis für den Axialverdichterabschnitt 103 zu erreichen als durch eine einzige Axialverdichterstufe 113 erreicht werden kann.
Nach Zugabe von Brennstoff in die Brennkammer(n) 105 des Verbrennungsabschnitts und Oxidation des Brennstoffs durch den Sauerstoff innerhalb der verdichteten Luft wird das sich ergebende erhitzte und unter Druck stehende Gas in Arbeit innerhalb des Turbinenabschnitts 107 umgewandelt; dieses Verfahren wird durch die Übertragung der hohen kinetischen Energie des expandierenden heißen unter Druck stehenden Gases auf die Turbinenabschnitt-Rotorblätter 121 in einer Reihe von Turbinenabschnittsstufen 108 erzielt.
Jede Turbinenabschnittsstufe 108 besteht aus einer Reihe von Turbinenabschnittsrotorblättern 121, die an der Rotorwelle 127 befestigt sind, und dem vorangehenden Satz von Turbinenabschnittsstatorblättern 122, die als eine Reihe befestigt sind, radial versetzt als eine stationäre Blattreihe. Die Turbinenabschnittsstatorblätter 122 sind (a) annähernd dicht an der Innenwandung des Gehäuses 125 passend befestigt und (b) gegenüber dem Rotor 111 abgedichtet (üblicherweise mit Labyrinthdichtungen) in einer solchen Art und Weise, dass im Betrieb eine wesentliche Flüssigkeitsabdichtung einer Turbinenabschnittsstufe 108 von ihren benachbarten Turbinenabschnittsstufe(n) 108 ermöglicht wird. Die Turbinenabschnittsrotorblätter 121 und die Turbinenabschnittsstatorblätter 122 funktionieren zusammen so, dass sie den Druck des heißen unter Druck stehenden Gases schrittweise vermindern durch (1) Kanalisieren des heißen unter Druck stehenden Gases und (2) Übertragen kinetischer Energie von dem expandierenden heißen unter Druck stehenden Gas zu den rotierenden Turbinenabschnittsrotorblättern 121, unter der Erzeugung von Arbeit, was in der Rotation des Rotors 111, wenn er seine Last antreibt, deutlich wird.
In einigen Fällen haben die Turbinenabschnittsrotorblätter 121 mehrschichtige Oberflächen oder beschichtete Oberflächen, um die Verwendung eines heißen unter Druck stehenden Gases höherer Temperatur zu ermöglichen; in einigen Fällen weisen die Turbinenabschnittsrotorblätter 121 (oder alternativ können sie ebenfalls aufweisen) eine Kühlung auf, die innerhalb der Turbinenabschnittsrotorblätter 121 durch die Verwendung eines bearbeiteten oder gegossenen Rohres oder Hohlraumabschnitts innerhalb der Turbinenabschnittsrotorblätter 121 vorgesehen ist. Während des Betriebs steht das bearbeitete oder gegossene Rohr oder der Hohlraumabschnitt in Flüssigkeitsverbindung mit (a) komprimierter Luft von dem Axialverdichterabschnitt 103 und (b) einer reduzierten Druckabgabe zur Ausgabe der komprimierten Luft; die komprimierte Luft strömt durch das bearbeitete oder gegossene Rohr oder den Hohlraumabschnitt, der innerhalb eines jeden einzelnen Turbinenabschnittsrotorblattes 121 angeordnet ist, um das Turbinenabschnittsrotorblatt 121 zu kühlen.
Wie in einem anderen Teil dieser Beschreibung angemerkt werden wird, kann die Verwendung solcher Kühlungssysteme für jedes Turbinenabschnittsrotorblatt 121 am wirksamsten sein, wenn Messungen der Oberflächentemperaturen des jeweiligen Turbinenabschnittsrotorblattes 121 verwendet werden, um ein mögliches Zusetzen innerhalb des bearbeiteten oder gegossenen Rohres oder des Hohlraumabschnitts von irgendeinem Blatt zu identifizieren, da ein solches Zusetzen den Kühlmittelstrom einschränken und zu einer inakzeptabel hohen Temperatur auf einem jeweiligen Turbinenabschnittsrotorblatt 121 führen kann. In einer Gasturbinenmaschine 101 unter Verwendung der vorliegenden Erfindung kann ein solches Zusetzen durch Niederschläge von Mineralspuren verursacht werden (von dem im wesentlichen mitgerissenen zerstäubten oder aus Teilchen bestehenden Wasser) in der Verdichterauslassluft, die zum Kühlen der Turbinenabschnittsrotorblätter 121 verwendet wird.
Das bevorzugte Verfahren zum Fernhalten solchen Materials von dem Eintritt in das Kühlsystem für die Turbinenabschnittsrotorblätter 121 ist es, ein umfassendes Vorfiltern der komprimierten Luft des Axialverdichterabschnitts 103 vorzusehen, bevor sie zum Kühlen der Turbinenabschnittsrotorblätter 121 und zur Messung der Oberflächentemperaturprofile eines einzelnen repräsentativen Turbinenabschnittsrotorblattes 121 verwendet wird, um angemessen zu bestätigen, dass die Blätter 121 angemessen gekühlt werden. Ein bevorzugtes System zur Durchführung solcher Messungen der Oberflächentemperaturen eines einzelnen Turbinenabschnittsrotorblattes 121 ist in US-A-4,648,711 beschrieben, erteilt am 10. März 1987 für Richard E. Zachary und betitelt mit "Sight Tube Assembly and Sensing Instrument for Controlling a Gas Turbine". Es soll weiter angemerkt werden, dass die besten Ergebnisse aus der Hochtemperaturmessung, die in Verbindung mit der Nasskompression verwendet wird, erreicht werden, wenn ein für eine Frequenz von 3,9 Mikrometern empfindliches Pyrometer verwendet wird in Verbindung mit einem bei 0,95 Mikrometern empfindlichen Pyrometer; dies vermeidet es, dass Infrarotstrahlungen von dem Wasserdampf in den Turbinenabschnitt 107 getragen werden, was die Hochtemperaturmessungen, die nur bei 0,95 Mikrometern Empfindlichkeit durchgeführt wurden, stören würde.
Eine umfassende Vorfilterung der verdichteten Luft, die von dem Axialverdichterabschnitt 103 geliefert wird, bevor sie für die Kühlung der Turbinenabschnittsrotorblätter 121 verwendet wird, wird erwogen, durch die Verwendung eines zwischengesetzten Filters zwischen dem Auslass für verdichtete Luft, die zum Kühlen der Turbinenabschnittsrotorblätter 121 verwendet wird, und dem Einlassrohr, das die komprimierte Luft in Flüssigkeitsverbindung mit jedem der gekühlten Turbinenabschnittsrotorblätter 121 bringt.
Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Einrichtung zum Zuleiten von Teilchen flüssigen Wassers zu dem durch den Axialverdichter 103 aufgenommenen Arbeitsmedium und danach zum kontrollierbaren Erhöhen (und entsprechend kontrollierbaren Reduzieren) der Menge an flüssigem Wasser, die dem Arbeitsmedium zugeleitet wird, um den Temperaturanstieg des Arbeitsmediums infolge der Kompression zu reduzieren.
Die Erfindung betrachtet in dieser Hinsicht das Zuleiten des von dem Verdichter aufzunehmenden Arbeitsmediums, das vorzugsweise im Wesentlichen von zumindest 3/4 eines Gewichtsprozents und noch bevorzugter von 2 Gewichtsprozent bis 8 Gewichtsprozent flüssigen Wassers in Vermischung mit im Wesentlichen vollständig befeuchteter Luft enthält (wie beispielsweise im Zusammenhang mit einer Umrüstung durch eine existierende, vollständig verdampfende Einlassluftkühlungseinrichtung vorgesehen wenden kann, oder, wo die betreffende Turbine noch nicht mit irgendeiner Form einer Einlassluftverdampfungskühlung ausgerüstet wurde, wird vorzugsweise die Verdampfungskühlung durch dieselbe Leistungserhöhungsvorrichtung, die durch die vorliegende Erfindung vorgesehen wird, ermöglicht). Vorzugsweise wird zumindest ein 10%igen Anstieg der Nettoleistungsabgabe und noch bevorzugter ein 20 bis 40%iger Anstieg der Nettoleistungsabgabe einer Gasturbine, wie beispielsweise der Gasturbine 101, erreicht durch Einleiten flüssigen Wassers in das von dem Verdichter 103 aufgenommene Arbeitsmedium, beispielsweise über die Vorrichtung, die in Fig. 3 gezeigt ist. Dieser Anstieg der Nettoleistungsabgabe wird gegen die Nettoleistungsabgabe der Turbine unter vergleichbaren Bedingungen, jedoch ohne die Zugabe von Wasser mittels einer Vorrichtung und eines Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung gemessen (und daher zur Klarstellung in dem bestimmten Zusammenhang, in dem die Turbine eine Einlassluftverdampfungskühlung verwendet, wird der Anstieg der Nettoleistungsabgabe im Vergleich zu der Nettoleistungsabgabe mit der Einlassluftverdampfungskühlung realisiert). In der bevorzugten Ausführungsform, die in Fig. 3 gezeigt ist, wie oben vorgeschlagen wurde, können die, Einrichtungen zum Zuleiten flüssigen Wassers ebenfalls verwendet werden, um das Arbeitsmedium vollständig zu befeuchten (dies bedeutet vollständige Sättigung), wo die betreffende Turbine nicht zuvor ausgerüstet wurde mit beispielsweise einer bekannten verdampfen- oder medienartigen Einlassluftverdampfungskühlungseinrichtung.
Unter nunmehrigem speziellen Bezug auf Fig. 3 enthält eine bevorzugte Vorrichtung zur Zugabe von flüssigem Wasser zu dem durch den Axialverdichterabschnitt 103 aufgenommenen Arbeitsmedium eine Sprühgestellgruppenanordnung 201, die mit dem Verdichtereinlass 102 des Axialverdichterabschnitts 103 in Verbindung steht. Die Sprühgestellgruppenanordnung 201 kann irgendwo zwischen dem Einlassluftfilter 109 und dem Verdichtereinlass 102 angeordnet werden, wird jedoch bevorzugt in den Einlassluftkanal 133 in den verengten Abschnitt 137 des Einlassluftkanals nach dem konvergierenden Abschnitt 135 des Einlassluftkanals eingefügt. Diese Position weist Vorteile auf dadurch, dass eine ausreichende Trennung von dem Verdichtereinlass 102 vorgesehen ist, so dass eine Düse 305 (oder ein anderer beschädigter Teil entweder eines Dampfzuführsystems, das genauer hier nachfolgend beschrieben werden soll, oder der Sprühgestellgruppenanordnung 201), die von der Sprühgestellgruppenanordnung 201 entfernt werden kann, durch Gravitation zu der tiefen Oberfläche 136 des Einlassluftkanals 133 gezogen wird, bevor die Düse 305 (oder ein beschädigter Teil) in den sich drehenden Rotor 111 gezogen wird.
Das entfernte Anordnen, das den Vorteil schafft, dass Komponenten der Sprühgestellgruppenanordnung 201 möglicherweise daran gehindert werden, abzubrechen und in den Axialverdichterabschnitt 103 einzutreten, erfordert es, dass die Sprühgestellwasserdüsen 305 einen ausreichend feinen Nebel an flüssigem Wasser entwickeln, so dass der Nebel im Wesentlichen in das Arbeitsmedium eingeleitet wird. In dichteren Abständen zwischen den Sprühgestellwasserdüsen 305 und dem Verdichtereinlass 102 kann ein grobkörnigeres Spray verwendet werden, vorausgesetzt, dass eine ausreichend gleichmäßige Verteilung von Wasser in dem Arbeitsmedium erreicht wird, um die Deformation des Gehäuses 125 auf ein im Wesentlichen vorbestimmtes akzeptables Grenzmaß zu beschränken, das eine Beschädigung des Axialverdichterabschnitts 103 vermeidet (wie vollständiger hier nachfolgend beschrieben werden wird).
Es wird bevorzugt, dass die Verwendung eines groberen Sprays eine Veränderung des Strömungsprofils der flüssigen Wassertröpfchen bedingen kann, die dem Arbeitsmedium zugeführt werden, um eine ausreichende Gleichmäßigkeit der Verteilung des flüssigen Wassers in dem Axialverdichter 103 sicherzustellen, um eine inakzeptable Winkeldeformation des Gehäuses 125 zu vermeiden. Das Verfahren zur Bestimmung des geeigneten Strömungsmusters kann demselben Vorgang folgen, wie er im Hinblick auf die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung unten beschrieben ist.
Fachleute auf dem Gebiet werden weiter bevorzugen, dass, während es daher im Wesentlichen wünschenswert ist, die Einrichtungen zu entfernen, die zur Wasserzugabe zu dem Arbeitsmedium um einen ausreichenden Abstand weg von dem Verdichtereinlass vorgesehen sind, um eine Beschädigung des Verdichters zu vermeiden, wenn beispielsweise eine verwendete Düse oder irgendein anderes Strukturelement einer bestimmten verwendeten Wasserzugabeeinrichtung losbrechen sollte und zu dem Verdichtereinlass getragen wird, das Erreichen eines ausreichend feinen Nebels, um eine gleichmäßige Verteilung von Wasser in dem Arbeitsmedium am Verdichtereinlass sicherzustellen und die erste Verdichterstufe vollständig zu sättigen, um die Vorteile eines vollständigen Massenstroms einer Nasskompression zu erhalten, eine große Anzahl von Düsen 305 erfordert (in dem Zusammenhang einer Sprühgestellgruppen anordnung 201), eines hohen Abgabedrucks und eines entsprechend größeren Pumpsystems oder von beidem, um die beabsichtigte Menge an Wasser für einen gewünschten Zunahmegrad auszugeben. Ein System eines gröberen Sprays wird im Wesentlichen zur Folge haben, dass weniger Kapital eingesetzt werden muss, wird jedoch nicht eine ausreichende Mitnahme und Gleichmäßigkeit der Wasserverteilung in dem von dem Verdichter aufgenommenen Arbeitsmedium vorsehen, bis es nicht dicht genug an dem Einlass 102 angeordnet wird, so dass dort ein gewisses Risiko verbleibt, dass eine Düse im Betrieb in den Verdichter hineingetragen wird.
Die optimale Einrichtung und Anordnung zum Zuleiten flüssigen Wassers zu dem von dem Verdichter aufgenommenen Arbeitsmedium wird im Wesentlichen der Einrichtung und Anordnung entsprechen, die die geringsten Gesamtkosten zum Erreichen einer vollständigen Sättigung der ersten Verdichterstufe aufweist und die Vorteile eines maximalen Massenstroms von der Wasserzugabe für ein gegebenes Gesamtleistungserhöhungsniveau, und das dies tut, ohne eine übermäßige Deformation des Gehäuses 125 und der Verdichterreibung zu verursachen, unter Berücksichtigung der Möglichkeit oder des Risikos, dass die Düse 305 in den Verdichterabschnitt 103 getragen wird und der Folgen in Form der Kosten, wenn dies auftritt, und der Gesamtkosten der Düsen und anderen Systemkomponenten (Hardware), die mit einer gegebenen Anordnung und Auswahl an Wasserzugabeeinrichtungen verbunden sind. Es kann entsprechend bevorzugt werden, eine Mehrzahl von Einrichtungen zum Eingeben der Gesamtmenge an flüssigem Wasser zu verwenden, das für das Arbeitsmedium erwartet wird, an verschiedenen Punkten oder Positionen im Vergleich zu dem Verdichtereinlass.
Daher wird für niedrigere Zunahmeniveaus (bis zu 10%ige Zunahme), wie zuvor erwogen wurde, es im Wesentlichen ausreichend sein, nur eine Verdichterwaschwasseranordnung zu verwenden, wobei eine herkömmliche Verdichterwaschwassermenge an flüssigem Wasser (welche Menge entsprechend dem Turbinentyp und der Turbinengröße, die erhöht werden soll, variieren wird, jedoch typischerweise zwischen 0,1 und 0,5 Gewichtsprozent des Arbeitsmediums liegt) kontinuierlich über eine ausgedehnte Zeitdauer dem durch den Verdichter aufgenommenen Arbeitsmedium zugeleitet wird; vorzugsweise sind die Düsen in dieser Ausführungsform von einer Art, um Wasser überwiegend oder ausschließlich als einen feinen Nebel mit einer mittleren Durchschnittströpfchengröße von 200 Mikrometern oder weniger zuzuleiten, obgleich es im Gebrauch solcher sehr fein zerstäubenden Düsen ratsam sein kann, stromaufwärts eine Zusatzwasserzufuhreinrichtung anzuordnen und zu verwenden (dies bedeutet weiter entfernt von dem Verdichtereinlass 102), wie zum Bedecken von "Lücken" in der Verteilung von flüssigem Wasser in dem Arbeitsmedium benötigt, wie sie durch das Verstopfen der feinzerstäubenden Düsen nahe dem Verdichtereinlass verursacht werden können. Eine besonders bevorzugte Düse für diese bestimmte Ausführungsform wird hergestellt von Rochem Technical Services, Ltd. unter dem Namen FYREWASHTM und ist gekennzeichnet dadurch, dass sie in den Einlassluftstrom vorsteht zum Vorsehen eines mitreißenden feinzerstäubenden Sprays mit einem von den Erfindern geschätzten mittleren Durchschnittströpfchendurchmesser von zwischen 100 und 200 Mikrometern (jedoch sicher über 70 Mikrometern) bei einem Druckverlust von im Wesentlichen 80 Pfund pro Quadratzoll, Gauge (psig) (550 kPa, Gauge).
Neben dem Vorsehen einer Zusatzwasserzuführeinrichtung wird unter bestimmten Umständen, wie in dem vorstehenden Absatz beschrieben, im Allgemeinen die für das Zuleiten einer Waschwassermenge an flüssigem Wasser eines herkömmlichen Verdichters zu dem Arbeitsmedium verwendete Vorrichtung dieselbe sein, die an einer gegebenen Turbine für Verdichterwasserwaschzwecke verwendet würde (beispielsweise eine ringförmige Sprühleitung mit gleichmäßig beabstandeten Sprühdüsen um die ringförmige Sprühleitung herum), und, da die Fachleute auf dem Gebiet mit diesen Systemtypen wohlvertraut sind, eine weitere detaillierte Diskussion darüber ist nicht gerechtfertigt.
Wo größere Zunahmeniveaus gewünscht werden, dies bedeutet von mehr als 10% und insbesondere mehr als eine 20%ige Zunahme an Nettoleistungsabgabe der Gasturbine, werden dann bevorzugt eine oder mehrere Sprühgestellgruppenanordnungen 201 alleine oder in Kombination mit noch anderen Einrichtungen verwendet. Im Hinblick auf die letztere dieser beiden Möglichkeiten wird eine Anordnung, die insbesondere geeignet ist, um ein Online-Reinigungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung durchzuführen, eine erste Einrichtung neben dem Verdichtereinlass 102 verwenden zum Zuleiten (kontinuierlich für die Zwecke einer Leistungserhöhung oder intermittierend nur für Online-Waschzwecke) einer herkömmlichen Waschwassermenge an flüssigem Wasser zu dem Arbeitsmedium in bevorzugt einer groben Sprühform, ebenso wie eine zweite Einrichtung zum Zugeben flüssigen Wassers zu dem von dem Verdichter aufzunehmenden Arbeitsmedium, wobei die zweite Einrichtung in Form einer Sprühgestellgruppenanordnung 201 in dem verengten Abschnitt 137 des Einlassluftkanals vorliegt. Wo sowohl die erste als auch die zweite Einrichtung verwendet werden, im wesentlichen in Kombination, um die gewünschte Gesamtmenge an Wasser einzugeben (wie entgegengesetzt dazu, wo die erste Einrichtung nur für Waschzwecke verwendet wird entsprechend dem Online-Reinigungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung), werden bevorzugt die erste und zweite Einrichtung ausgewählt, so dass die Menge an flüssigem Wasser, die dem Arbeitsmedium durch die Kombination von diesen zugegeben wird, überwiegend in der Form eines feinen Nebels mit einem mittleren Durchschnittströpfchendurchmesser von 200 Mikrometern und weniger vorliegt.
Im Hinblick auf die Sprühgestellgruppenanordnung 201, die in Fig. 3 dargestellt ist, besteht die Anordnung 201 aus einer Gruppe einzelner Sprühgestelle 301, wo jedes einzelne Sprühgestell 301 im Gegenzug aus einer Sprühgestellwasserleitung 303 besteht, mit einer Gruppe von beabstandeten Sprühgestellwasserdüsen 305 zum Zerstäuben des Wassers, das durch die Sprühgestellwasserleitung 303 gesandt wird. Zusätzlich wird eine Sprühgestelldampfleitung 313 mit einem Sprühgestelldampfloch oder -löchern 315 zum Zugeben von Dampfwärme zu der Einlassluft vorgesehen. Befestigungshülse(n) 336 werden wiederkehrend auf jeder Sprühgestelldampfleitung 313 verwendet, um eine freie Bewegung während einer thermisch induzierten Expansion und Kontraktion der Sprühgestelldampfleitung 313 vorzusehen.
Vorzugsweise wird sehr sauberes Wasser, beispielsweise Wasser mit einer Leitfähigkeit von 0,4 Mikroohm oder weniger ohne Teilchen, entweder als Wasserkondensat oder destilliertes, deionisiertes Wasser, in dieser Art und Weise vernebelt (oder zerstäubt), um ein vorzugsweise sehr feines Spray oder Wassernebel zu bilden. Eine Anzahl von bekannten, kommerziell erhältlichen Düsenausgestaltungen kann für das Zuführen dieses sehr feinen Wassersprays verwendet werden, beispielsweise die oben genannten FYREWASHTM-Düsen von Rochem Technical Services, Ltd. (wobei dieses Unternehmen ein Büro in 610 N. Milby Street, Suite 100, Houston, Texas 77003 hat), eine 1-7 N-316SS12-Düse von Spraying Systems Co. (P. O. Box 7900, Wheaton, Illinois, 60189), die ein Spray ausgibt, das gekennzeichnet ist durch einen mittleren Volumendurchmesser von 153 Mikrometern (2 Gallonen pro Minute (7,6 Liter pro Minute) Strömungsrate) bei einem Druckverlust von 80 psig (550 kPa, Gauge) und einer Temperatur im Bereich von 45 bis 165º Fahrenheit (7,2ºC bis 73,9ºC), oder eine 1-7 N-316SS16-Düse von Spraying Systems Co., die ein Spray vorsieht, das gekennzeichnet ist durch einen mittleren Volumendurchmesser von 188 Mikrometern (2,6 Gallonen pro Minute (9, 9 Liter pro Minute) Strömungsrate) bei einem Druckverlust von 80 psig (550 kPa, Gauge) und einer Temperatur im Bereich von 45 bis 165º Fahrenheit (7,2º bis 73,9ºC).
Mit weiterem Bezug auf das verwendete Wasser und die vorgenannten Risiken, die hier zuvor verbunden wurden mit der Verwendung einer Nasskompressionsleistungserhöhung, wird vorweggenommen, dass sehr schlechtes Wasser negativ auf die Komponenten der Gasturbinenmaschine 101 einwirken kann, insofern als kritische chemische Elemente, die aktiv gegenüber legierten Materialien sind, die in dem Aufbau der Gasturbinenmaschine 101 verwendet werden, durch das sehr schlechte Wasser erodiert werden können, von den damit verbundenen Komponenten und dabei nachteilig die vorteilhaften Eigenschaften der legierten Materialien verändern; in dieser Hinsicht würde technisch ideales Wasser beispielsweise aus einem Verfahren resultieren, in dem extrem schlechtes Wasser durch ein erleichterndes Massenübertragungssystem hindurchgeschickt wird. Ein Beispiel für ein solches erleichterndes Massenübertragungssystem ist es, wo schlechtes Wasser über Kügelchen chemischer Elemente geschickt wird, die hinsichtlich ihrer Zusammensetzung ausgewogen sind, so dass der sich ergebende Wasserstrom ausreichende Mengen eines jeden kritischen legierenden Elementes im Verhältnis zu den Materialien des Aufbaus der Komponenten der Gasturbinenmaschine 101 enthält, so dass der sich ergebende Wasserstrom irgendwelche Erosionseffekte hinsichtlich kritischer und aktiver chemischer Elemente in den legierten Komponenten der Gasturbinenmaschine 101 in ausreichendem Maße minimiert, so dass die Unversehrtheit dieser Komponenten geeignet geschützt wird, wenn eine Nasskompression ausgeführt wird.
Wie durch das Vorsehen einer Sprühgestellgruppenanordnung 201 erwogen, schlägt die vorliegende Erfindung vor, auf höheren Kapazitätszunahmeniveaus, die 10% der Nettoleistungsabgabe der Turbine 101 überschreiten, ohne die Zugabe von flüssigem Wasser, wie hierin gelehrt, dass die signifikanten Mengen an flüssigem Wasser, die für diese höheren Niveaus benötigt werden, kontrolliert zugeführt oder entfernt werden, um thermische Schocks für die Turbine 101 und irgendein Pumpen des Verdichters 103 zu vermeiden. Diese kontrollierte Zunahme kann einen sanften Anstieg des flüssigen Wassers, das dem durch den Verdichter 103 aufgenommenen Arbeitsmedium zugeführt wird, zur Folge haben, wie beispielsweise durch Erhöhen des Wasserdrucks unter Zugeben von Wasser zu einer oder mehreren Sprühgestelldüsen 305. In der Alternative kann flüssiges Wasser dem durch den Verdichterabschnitt 103 aufgenommenen Arbeitsmedium gestuft schrittweise zugeführt werden. Als noch eine andere Alternative kann vorteilhaft eine Kombination einer sanft ansteigenden und/oder gestuften Änderung der Wassermenge, die dem durch den Axialverdichterabschnitt 103 aufgenommenen Arbeitsmedium zugeführt wird, gleichzeitig oder nacheinander angewendet werden.
Am bevorzugtesten jedoch wird das flüssige Wasser, wenn es entweder seine Strömung erhöht oder vermindert, schrittweise zugeführt oder reduziert unter Verwendung einer Mehrzahl von Wassermassenstrominkrementen. Im Hinblick auf die bevorzugte Verwendung einer Mehrzahl von Wassermassenstrominkrementen enthält eine bevorzugte Vorrichtung zur senstrominkrementen enthält eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung Sprühgestelldüsen 305, bei denen jedes einzelne Sprühgestell 301 angesehen werden kann, als erzeuge es ein zerstäubtes Wassermassenstrominkrement, wie bestimmt durch den Druckverlust über den Satz von Sprühgestellwasserdüsen 305 hinweg.
Alternativ werden Fachleute auf dem Gebiet es bevorzugen, dass jede Düse 305 im Gegenzug einen Bereich von Drücken aufweist, über den eine bestimmte Flüssigkeit geeignet zerstäubt werden kann unter einer gegebenen adäquaten Zuführung von zerstäubter Flüssigkeit, und dass die Düsen 305 selbst entsprechend so angesehen werden können, dass sie einzeln im Wesentlichen ein Inkrement einer Wasserzugabe definieren; das geringste Wassermassenstrominkrement kann dann das Wasserstrominkrement sein, das benötigt wird, um die kleinste Düse 305 zu aktivieren, die zum Vereinfachen der Nasskompression betätigt werden kann. Eingeflochten, wie offensichtlich sein sollte, wenn der Wassermassenstrom entweder in der Betriebsweise einer kontinuierlichen Strömungsrate oder schrittweisen Strömungsrate verändert wird, um unter den minimalen Wassermassenstrom abzufallen, der für die Erzeugung eines akzeptablen Sprühens benötigt wird für ein Mitreißen und Mischen in die Einlassluft hinein, wird das zugeführte Wasser nicht ausreichend mitgerissen, sondern als eine nicht zerstäubte Wassermenge in den Verdichtereinlass 102 ungleichmäßig abgelenkt. Die negativen Auswirkungen der nicht zerstäubten Wassermenge, die in den Verdichtereinlass 103 ungleichmäßig abgelenkt wird, beziehen sich auf die Verformung und eine schnellere Erosion von Komponenten, auf die die nicht zerstäubte Wassermenge auftrifft. Im Hinblick auf den Bereich der Drücke, über den eine Flüssigkeit vernünftigerweise zerstäubt werden kann, können einige durchgehende analoge Einstellungen der Strömungsmenge erleichtert werden durch Modifizieren des Zuleitungsdrucks, jedoch die Auswirkung dieser Modifikationen auf Eigenschaften des Sprays von den Düsen 305 sollte berücksichtigt werden, wenn dies durchgeführt wird. Es wird erwartet, dass diese Näherung der Einstellung des Flüssigkeitsmassenstroms einigen Nutzen haben kann, jedoch wird die Sprayabgabe beim Feineinstellen nach der Nasskompression im Wesentlichen eingerichtet.
Wenn der Druck für die Sprühgestellwasserleitung 303 überwacht wird, arbeitet eine Gruppe von Sprühgestellwasserdüsen 305, die mit der Sprühgestellwasserleitung 303 verbunden sind, um ein wesentliches Wassermassenstrominkrement gleich der Summe der einzelnen Massenstrominkremente der Sprühgestellwasserdüsen 305 zu verarbeiten.
In einer alternativen Ausführungsform kann jede einzelne Sprühgestellwasserdüse 305 getrennt mit einem Ventil versehen und gesteuert werden, um eine maximale Anzahl von steuerbaren Wassermassenstrominkrementen vorzusehen, wobei jedes Inkrement die im Wesentlichen vorhersehbare und konstante Strömung ist, wo die Sprühgestellwasserdüse 305 ihr von der Funktion her geeignetes Sprühmuster unter dem verfügbaren Druckverlust liefert.
In einer noch anderen Ausführungsform kann eine Gruppe von Sprühgestellwasserleitungen 303, wobei jede einen miteinander verbundenen Satz von Sprühgestellwasserdüsen 305 aufweist, überwacht im Bereich der Sprühgestellwasserleitung 303, mit anderen Sprühgestellwasserdüsen 305 gemischt werden, die einzeln gesteuert werden.
Es soll von dem Vorstehenden offensichtlich sein, dass eine Anzahl von unterschiedlichen Anordnungen der Düsen und Leitungen verwendet werden kann, um flüssiges Wasser dem durch den Axialverdichter 103 aufgenommenen Arbeitsmedium zuzuführen, zum Erzeugen höherer Niveaus einer Nasskompressionsleistungserhöhung und in einem noch spezielleren Zusammenhang, um einen Massenstrom zerstäubten Wassers dem Arbeitsmedium in einer Mehrzahl von Massenstrominkrementen zerstäubten Wassers zuzuführen. In einigen Fällen können auch die Sprühgestellwasserdüsen 305 ausgewählt werden, um unterschiedliche Größen aufzuweisen und angeordnet werden, um entweder vorbestimmte Sprühkonzentrationsprofile von einer bestimmten Sprühgestellwasserleitung 303 vorzusehen oder den Durchgang und das Spülen von Teilchen aus einer bestimmten Sprühgestellwasserleitung 303 zu erleichtern, um ein Verstopfen der nachfolgenden Sprühgestellwasserdüsen 305, die auf der Leitung 303 getragen werden, zu vermeiden, wie beispielsweise durch Verwendung einer Düse 305 mit größerem Durchsatz mit größeren inneren Raumausdehnungen stromaufwärts der Düsen 305 geringeren Durchsatzes auf einer gegebenen Sprühleitung 303.
Grundsätzlich jedoch ist das, was wiederum erforderlich ist, dass der Massenstrom flüssigen Wassers, der dem Arbeitsmedium zugeleitet wird (oder von diesem entfernt wird), wie erforderlich verändert wird über der Zeit und/oder im Hinblick auf die Position (oder den Bereich der Zugabe flüssigen Wassers, der zu dem Verdichtereinlass 102 führt), um auszugleichen und effektiv zu reduzieren, (a) thermische Spannungen, die auf die Gasturbine 101 ausgeübt werden, und (b) die Wechselrate thermischer Ausdehnung und thermischer Kontraktion in Bezug auf die Zugabe relativ großer Mengen flüssigen Wassers zu dem Arbeitsmedium. Die Sprühgestellgruppenanordnungen 301 nach Fig. 3 sehen eine wirksame und geeignete Einrichtung zum Durchführen dieser Ziele vor.
Eine noch weitere wünschenswerte Eigenschaft des Verfahrens und der Vorrichtung zum Zuleiten von Flüssigkeitströpfchen zu dem durch den Verdichter 103 aufgenommenen Arbeitsmedium betrifft das Steuern einer Winkeldeformation oder Deformation des Gehäuses 125, was sich auf das Zuleiten flüssigen Wassers zu dem Arbeitsmedium bezieht. Wenn die Flüssigkeitströpfchen auf einer Massenbasis nicht ausreichend gleichmäßig in dem Arbeitsmedium verteilt werden, erzeugt das Arbeitsmedium Temperaturunterschiede innerhalb des Axialverdichterabschnitts 103 infolge der Tatsache, dass die Massenverteilung in dem flüssigen Wasser in dem Arbeitsmedium nicht im Wesentlichen oder angemessen gleichmäßig ist. Diese Temperaturunterschiede können im Gegenzug zu örtlich bestimmten Unterschieden der linearen Abmessung des Gehäuses 125 führen, und daher zu möglicherweise schädlicher Winkeldeformation oder Deformation des Gehäuses 125.
Die Erfahrung der Erfinder ist es, dass die Wassertröpfchen, die dem Arbeitsmedium beispielsweise mittels einer Vielzahl von Sprühgestellgruppenanordnungen 201 zugeleitet werden, sich im Wesentlichen laminar durch den Verdichter 103 bewegen unter einem erstaunlich geringen Vermischen; daher kann die Drehung des Rotors 111 und der Rotorblätter (115) nicht allgemein aufgerechnet werden als belasse sie ausreichend wesentliche Temperaturunterschiede innerhalb des Verdichters 103, infolge einer nicht gleichmäßigen Verteilung des zugeführten flüssigen Wassers in dem Arbeitsmedium bei dem Verdichtereinlass 102. Vorzugsweise wird dann die Winkeldeformation des Gehäuses 125, verursacht durch Zugabe flüssigen Wassers zu dem anderweitig normal befeuchteten Arbeitsmedium, gesteuert durch Vorsehen von Bestätigungseinrichtungen zum Erreichen und Aufrechterhalten einer ausreichend gleichmäßigen Verteilung von Wassertröpfchen in dem Arbeitsmedium, um sicherzustellen, dass irgendeine mit der Wasserzugabe verbundene Winkeldeformation des Gehäuses 125 begrenzt wird auf ein vorbestimmtes akzeptables Grenzmaß, das eine Zerstörung des Axialverdichterabschnitts 103 der Turbine 101 vermeidet.
Die Winkeldeformation des Gehäuses 125 kann in dieser Hinsicht überwacht und modelliert werden unter Verwendung eines Laserstrahlers 403 und Laserziels 407, detaillierter hier nachfolgend beschrieben. Die Verwendung einer Vielzahl von zerstäubten Massenstrominkrementen, wie durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagen, ist insbesondere geeignet für das Messen und Überwachen der mit der Wasserzugabe zusammenhängenden Deformation des Gehäuses 125, basierend auf dem Betrag der Deformation, die zuvor als in Abhängigkeit der Zugabe jeder der Inkremente und der Reaktion des Gehäuses 125 auf die Zugabe und das Entfernen verschiedener Inkremente über der Zeit gemessen wird oder im Hinblick auf die Position in Bezug auf den Verdichtereinlass 102 und andere Inkremente. Beispielsweise kann, wenn jedes Massenstrominkrement aktiviert ist, irgendein schrittweiser Anstieg oder eine Verminderung der Gehäusedeformation in Verbindung mit der Zugabe (oder dem Entfernen) dieses Inkrements gemessen werden. Dann, wenn das System auf eine Turbine für die Zugabe eines bestimmten Massenstrombetrags an flüssigem Wasser eingestellt ist und im Hinblick auf eine bestimmte Einlasskonfiguration, wird erwartet, dass das so eingestellte Wasserzugabesystem dann vertrauensvoll betrieben werden kann, um die Deformation innerhalb eines im Wesentlichen vorbestimmten akzeptablen Grenzmaßes zu überwachen, obgleich Messungen nicht mehr länger durchgeführt werden (beispielsweise kann das Messsystem entfernt werden). In dieser Hinsicht wird das Messsystem am vorteilhaftesten für die Entwurfszwecke verwendet und kann oder kann nicht als ein dauerhafter Teil der Turbinenleistungserzeugungseinrichtung 100 verwendet werden, nachdem die Winkeldeformation des Gehäuses 125 geeignet bestimmt ist im Hinblick auf eine spezielle Sprühgestellgruppenanordnung 201 und den Entwurf der Düse 305. Fachleute auf dem Gebiet werden es bevorzugen, dass auch ein mathematisches Modell der Zugabe verschiedener Inkremente zerstäubten flüssigen Wassers zu dem Arbeitsmedium für diesen Zweck vorteilhaft verwendet werden kann.
Am meisten wünschenswert wird eine ausreichend gleichmäßige Verteilung flüssigen Wassers in dem Arbeitsmedium einfach durch Zuleiten flüssigen Wassers zu dem Verdichter 103 erreicht, überwiegend als ein Nebel oder feines Spray von Teilchen mit einem mittleren Durchschnittströpfchendurchmesser von 200 um oder weniger, bevorzugter von 120 um oder weniger und insbesondere von 70 um oder weniger, infolge des Mitreißens im Wesentlichen den mit der durch das Arbeitsmedium aufgenommenen Luft verbundenen Geschwindigkeitsvektoren folgend. Daher kann der Mangelbereich durch die im Wesentlichen mitgerissene Bewegung des flüssigen Wassers zuverlässig mit flüssigem Wasser angereichert werden, wobei im Gegenzug die Deformation des Gehäuses 125 durch Gegenwirken gegen das Ungleichgewicht bei der Wasserverteilung innerhalb des Axialverdichterabschnitts 103 kontrolliert wird. Mit anderen Worten neigen die im Wesentlichen mitgerissenen Tröpfchen flüssigen Wassers dazu, einem laminaren Strömungsprozess innerhalb des Axialverdichters zu folgen, wobei sie es Bereichen, denen es an Wasser mangelt, ermöglichen, identifiziert zu werden und diesbezüglich ausgeglichen zu werden, um die Gehäusedeformation zu steuern. Dies bedeutet, dass die Tröpfchen gleichmäßig verteilt werden sollen oder ausreichend gleichmäßig auf einer Massenbasis in dem Einlass 102, um in den Axialverdichterabschnitt 103 eingesogen zu werden, in einer solchen Art und Weise, dass eine im Wesentlichen geeignete gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeitströpfchen innerhalb des Arbeitsmediums innerhalb des Verdichterabschnitts 103 sichergestellt wird. Dies ist, wenn eine im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung in dem Einlass 102 erreicht wird, dass die Temperaturverteilung innerhalb des Verdichters 103 geeignet aufrecht erhalten wird, um sicherzustellen, dass die Deformation des Gehäuses 125 auf Toleranzen begrenzt wird, die keine Beschädigung der Gasturbine 101 verursachen.
In Abhängigkeit der Anordnung der Sprühgestellgruppenanordnung 201 und der Art und Weise, in der Wasser daher für eine bestimmte Gasturbinenmaschine 101 zugeführt wird, wird es jedoch bevorzugt, dass eine gleichmäßige Größenabmessung und Verteilung der Düsen 305 über den Querschnitt des Einlassluftkanals 133, belegt durch die Sprühgestellgruppenanordnung 201, nicht die beste für das Bewerkstelligen der gewünschten Gleichmäßigkeit innerhalb des Stroms an zerstäubtem Wasser zu dem Verdichtereinlass 102 sein kann. Eher kann die optimale Anordnung geeignet bestimmt werden durch Beobachtung der Auswirkung verschiedener Anordnungen für verschiedene Inkrementzugaben an Wasser auf die Verformung des Gehäuses 125.
Um die Diskussion auf ein Merkmal oder einen vorstehend genannten Aspekt auszudehnen, wo diese Betriebsart praktikabel ist, wird die Sprühgestellanordnung 201 bevorzugt im Wesentlichen im verengten Abschnitt 137 des Einlassluftkanals angeordnet und mit ausreichendem Abstand von dem Verdichtereinlass 102, so dass im Betrieb irgendeine Sprühgestellwasserdüse 305 (oder irgendein anderer beschädigter Abschnitt der Sprühgestellgruppenanordnung 201), welche von der Sprühgestellgruppenanordnung 201 wegbricht, durch Gravitation zu der tieferen Oberfläche 136 des Einlassluftkanals 133 gezogen wird, bevor die Sprühgestellwasserdüse 305 (oder der beschädigte Abschnitt) in den Verdichtereinlass 102 und/oder den sich drehenden Rotor 111 gezogen wird durch Kräfte, die von dem Druck und den Strömungseigenschaften innerhalb des Einlassluftkanals 133 stammen. Der Grund für das Anordnen der Sprühgestellgruppenanordnung 201 in dem verengten Abschnitt 137 des Einlassluftkanals anstelle in dem konvergierenden Abschnitt 135 des Einlassluftkanals ist, dass die Geschwindigkeit des Einlassluftstroms im Wesentlichen höher in dem verengten Abschnitt 137 des Einlassluftkanals ist als in anderen Teilen des Einlassluftkanals 133, und das zerstäubte Wasser von der Sprühgestellgruppenanordnung 201 als eine Folge im Wesentlichen wirksamer in den fließenden Einlassluftstrom mitgerissen wird.
Fig. 4 zeigt weitere Details für die Anordnung der Sprühgestellgruppenanordnung 201, die in Fig. 3 gezeigt ist, in Darstellung in einer Aufrissansicht der relativen Position der einzelnen Sprühgestelle 301, der Positionierung jeder Sprühgestellwasserdüse 305 und der Verwendung der Sprühgestellversteifer 311. Im Hinblick darauf werden die Abmessungen und Verbindungen für den Sprühgestellversteifer 311 empirisch bestätigt, um ein stabiles System zu bestimmen, das von der Struktur her robust ist. Ein System, das auch verwendet werden kann, um die Sprühgestellgruppenanordnung 201 zu überwachen, für eine Gesamtunversehrtheit während des Betriebs, ist eine Sprühgestellvibrationsanzeige 411 für das Feststellen einer inakzeptablen Resonanz in der Anordnung 201.
Fig. 5 zeigt eine Draufsicht von Anordnungsdetails der Sprühgestellanordnung nach den Fig. 3 und 4 und zeigt eine bevorzugte Art des Zuführens sowohl von Wärme als auch von Feuchtigkeit zu dem Arbeitsmedium, um eine kontinuierliche Leistungserhöhung während Zeitperioden zu ermöglichen, innerhalb derer die Temperatur des Arbeitsmediums auf eine andere Art und Weise auf ein Niveau fällt, das eine schädliche Eisbildung in dem Einlass ermöglicht. Das bevorzugte Verfahren sieht das Zuleiten von Dampf zu dem Einlass 102 vor, wie beispielsweise dort, wo Dampf den Sprühgestelldampfleitungen 313 über Dampfverteiler 319 zugeführt wird. Der Dampf wird in den Ausführungsformen nach Fig. 3, 4 und 5 zugeführt, um ausreichend Dampf vorzusehen, um eine Temperatur in der Einlassluft zu erreichen, die über einem Punkt liegt, wo Wasser in der Luft in dem Verdichtereinlass 102 gefriert. Zumindest eine Dampföffnung 315 wird für jede Sprühgestelldampfleitung 313 verwendet, obgleich ein bevorzugter Aufbau der ist, dass etwa fünf Dampföffnungen 315 für jede Sprühdüse 305 vorgesehen sind; diese Dampföffnungen 315 sind gleichmäßig verteilt entlang jeder Dampfleitung 313 zum Ermöglichen einer entsprechend im Wesentlichen gleichmäßigen Zugabe von Wärme und Feuchtigkeit zu dem Arbeitsmedium, wie es für die Zugabe flüssigen Wassers gewünscht wird. Im Wesentlichen wird erwartet, dass der Verdichtereinlass 102 am meisten anfällig für eine Vereisung ist infolge der kühleren Einlassluft, die sich entlang den Wandungen des Gehäuses 125 benachbart zu dem Verdichtereinlass 102 fortsetzt oder entlang dieser kanalisiert wird, und somit wird vorzugsweise ausreichend Dampf in allen Ausführungsformen vermittels der Leitungen 313 oder andere Zusatzeinrichtungen am Umfang des verengten Abschnitts 137 des Einlassluftkanals zugeführt, um das Auftreten einer Vereisung in dieser Art zu vermeiden.
Um weiter sicherzustellen, dass die Gasturbinenmaschine 101 nicht normwidrig durch irgendein Einströmen von Flüssigkeit angegriffen wird, das sich ergibt, wenn irgendeine Sprühgestellwasserdüse 305 von der Sprühgestellwasserleitung 303 abgetrennt wird, wird vorzugsweise eine Drosselöffnung 317 oder eine andere geeignete Strömungsreduziereinrichtung (die dimensioniert ist, um den Wasserdurchsatz in der entsprechenden Sprühgestellwasserleitung 303 zu begrenzen) in die Quellzuleitung für die Sprühgestellwasserleitung 303 eingefügt. Eine Dampfstromdrosselöffnung 335 drosselt auch die Dampfmenge, die zugeführt wird im Falle irgendeines Bruchs in dem Dampfliefersystem.
Es ist wichtig, die Lufteinlasstemperatur am Verdichtereinlass 102 zu steuern, um das Wasser vor einem Gefrieren auf den Oberflächen in der Nähe der Einlassführungsschaufeln des Verdichters zu bewahren, welches Wasser zugeführt und im wesentlichen in die Einlassluft mitgerissen wird. Eis kann den Verdichter durch ungenügende Flüssigkeitsfüllung zum Schwingen bringen oder freibrechen und auf die rotierenden Blätter 115 in dem Axialverdichterabschnitt 103 stoßen.
Die Temperatur des Arbeitsmediums in dem Verdichtereinlass 102 wird bevorzugt mit zumindest einem Temperatursensor (nicht gezeigt) überwacht, um dabei zu helfen, die geeignete Dampfmenge herauszufinden, die benötigt wird, um zu der Einlassluft hinzugefügt zu werden; im Falle eines im Wesentlichen schlechten Wassers sollte die Einlasslufttemperatur im Wesentlichen über 45º Fahrenheit (7ºC) aufrechterhalten werden, um sicherzustellen, dass eine Vereisung nicht durch adiabatische Expansion in dem Verdichtereinlass 102 hervorgerufen wird. Ohne Wärmezufuhr, beispielsweise durch die Zugabe von Dampf über Dampföffnungen 315 oder durch andere Einrichtungen, wird es bevorzugt, dass diese Temperaturgrenze wirksam eine Umgebungstemperatureinschränkung an den Gasturbinen einbringt, die die Nasskompressionstechnologie nach der vorliegenden Erfindung mit einer Zugabe schlechten Wassers verwenden. Jedoch ermöglicht die durch die Dampfzugabe vorgesehene Erwärmung (erzeugt in einer zugefügten Wärmerückgewinnungseinheit 131 für eine Gasturbinenleistungserzeugungseinrichtung 100, die in einem einfachen Zyklus arbeitet oder von Dampf unter niedrigem Druck, der verfügbar ist in einer Einrichtung, die in einem kombinierten Zyklus arbeitet), die Verwendung der vorliegenden Erfindung bei beträchtlich niedrigeren Umgebungstemperaturen.
Mit besonderem Bezug auf einen kombinierten Zyklusbetrieb mit einer Einlassluftverdampfungskühlung kann zusätzliche, derzeit nicht verwendete Wärme zusätzlich zurückgewonnen werden und vorteilhaft für die Zwecke der Einlasslufterwärmung durch wechselseitigen Austausch der Kondensatorwärme von den Dampfturbinen zu dem Einlassluftverdampfungskühler (nicht gezeigt) für die Zwecke der Einlasslufterwärmung und -befeuchtung aufgegeben werden (wobei wirksam der Einlassluftverdampfungskühler in einen Einlassluftverdampfungserwärmer/-befeuchter umgewandelt wird), so dass mit einer zugegebenen Dampfinjektion (oder möglicherweise ohne Dampfinjektion) der Betrieb der Nasskompressionstechnologie nach der vorliegenden Erfindung ermöglicht werden sollte, bei Umgebungstemperaturen gut unterhalb von 45º Fahrenheit (7,2ºC) - sicherlich so niedrig wie 15º Fahrenheit (-9,4ºC), obgleich die praktischen Grenzen des Betriebs bei niedrigerer Temperatur geeigneter von Fall zu Fall bestimmt werden können.
Eine zusätzliche Schutzmaßnahme gegen eine möglicherweise schädliche Vereisung, die am Verdichtereinlass 102 auftritt, wird vorzugsweise durch Anordnen zumindest einer Beobachtungsöffnung 413 in der Wandung des Rohrverteilerabschnitts 139 des Lufteinlasskanals vorgesehen, die ein Beobachten und Abtasten der Eisbildung durch einen Betriebstechniker ermöglicht. Wenn eine solche Beobachtungsöffnung 413 verwendet wird, kann die Verwendung einer Videokamera (nicht gezeigt) das Informationsbeschaffungsverfahren weiter vereinfachen dadurch, dass einem Betriebstechniker ermöglicht wird, dass er eine angemessene Sicht des Inneren des Lufteinlasskanals 133 und/oder des Verdichtereinlasses 102 auf einem Videoschirmmonitor hat. Im Hinblick darauf kann es für den Wassermassenstrom notwendig sein, reduziert oder unterbrochen zu werden, um eine vollständige Sichtuntersuchung dieses Teils des Inneren des Lufteinlasskanals 133 und/oder des Verdichtereinlasses 102 zu erleichtern, der von der Beobachtungsöffnung 413 gesehen werden kann. Eine optionale weitere Antivereisungsverstärkung des Systems, die Wasser einer Sprühgestellgruppenanordnung 201 zuleitet, besteht darin, auch einen Stoff in den Wasserstrom hineinzumischen, der den Gefrierpunkt der Wasserteilchen herabsetzt. In Bezug hierauf können Gefrierpunktsenker, wie beispielsweise Methanol, verwendet werden, um eine niedrigere Arbeitstemperatur in der Einlassluft zu schaffen.
Fig. 6 zeigt Details für eine mögliche Einrichtung zum Überwachen einer Deformation des Gehäuses 125 der Gasturbinenmaschine 101, die mit der Wasserzugabe verbunden ist. Im Hinblick darauf kann die Zugabe einer wesentlichen Menge zerstäubten Wassers in die Luft, die durch den Axialverdichterabschnitt 103 verarbeitet wird, wie zuvor erwähnt, einen nachteiligen Einfluss auf die Gasturbinenmaschine 101 haben, aufgrund von Kühleffekten, die nicht symmetrisch hinsichtlich der Innenfläche (Innenumfang, Innenwandung) des Abschnitts des Gehäuses 125 sein können, das den Axialverdichterabschnitt 103 enthält. Wenn ein Abschnitt des Gehäuses 125 ungleichmäßig hinsichtlich des anderen Abschnitts gekühlt wird, dann verzieht sich das Gehäuse aus einer vollständig symmetrischen Ausrichtung heraus. Eine solche Verformung kann sich niederschlagen in der Unterbrechung des inneren Flüssigkeitsstroms in dem Axialverdichterabschnitt 103, was einen Stillstand oder einen Rotationsstillstand auslöst, der zu schädlichen Spannungen in den Komponenten des Axialverdichterabschnitts 103 führt, oder eine solche Verformung kann mechanisches Reiben zwischen den Komponenten des Axialverdichterabschnitts 103 auslösen, was in entweder einem Schaden an diesen Komponenten oder möglicherweise in dem Extremfall zu einer Verdichterzertrümmerung führt.
Fig. 6 zeigt die Verwendung eines Laserstrahlers 403, eines Laserreflektors 405 und eines Laserziels 407, um die Überwachung einer Verformung des Gehäuses 125 zu erreichen. Es soll angemerkt werden, dass die Verwendung des Laserreflektors 405 dazu geschieht, um eine Reaktion auf die Winkeldeformation vorzusehen, und eine Reihe von Laserreflektoren 405 verwendet werden kann, wie es gewünscht wird, um die Empfindlichkeit der Anordnung gegenüber Verformungen des Gehäuses 125 weiter zu verstärken durch wirksames Vervielfachen des Winkelversatzes und Abstandes, dem der von dem Laserstrahler 403 ausgesandte Laserstrahl vor dem Auszeichnen auf dem Laserziel 407 unterliegt. Bei einer weniger empfindlichen Öffnung des Lasers wird kein Laserreflektor 405 verwendet. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein einziger Laserreflektor 405 als für die Axialverdichterabschnitte 103 herkömmlicher Länge akzeptabel befunden (in einigen entstehenden Ausgestaltungen jedoch kann eine empfindlichere Anordnung die beste sein). Mehrfachsätze von Laserstrahlern 403, Laserreflektoren 405 und Laserzielen 407 können verwendet werden, um die Verformung verschiedener Abschnitte des Gehäuses 125 zu überwachen, oder der Strahl von dem Laserstrahler 403 kann alternativ aufgespalten werden unter Verwendung eines teilweise reflektierenden Spiegels (nicht gezeigt) und dann auf unterschiedliche Laserreflektoren 405 gerichtet werden, die an verschiedenen Teilen des Gehäuses 125 zum Messen durch unterschiedliche Laserziele 407 befestigt sind, wobei jedes zum Anzeigen einer Verformung eines unterschiedlichen Teils des Gehäuses 125 ausgerichtet ist.
Die nicht-symmetrischen Kühleffekte des Gehäuses 125 sind zusätzlich von Belang, wenn die Gasturbinenleistungserzeugungseinrichtung 100 einen Lufteinlasskanal 133 aufweist, der an dem Gehäuse 125 befestigt ist, mit einem verengten Abschnitt 137 des Lufteinlasskanals (die bevorzugte Stelle für die Sprühgestellgruppenanordnung 201), wo die Achse bezüglich des Lufteinlasskanals 133 (wobei diese Achse definiert ist als eine Fortsetzung des wesentlichen Flüssigkeitsstroms und von Strömungsquerschnittsmittelpunkten, die zu der Richtung des wesentlichen Flüssigkeitsstroms und der Strömung in dem Kanal ausgerichtet sind) im Wesentlichen senkrecht zu der Rotationsachse für den Rotor 111 (wie in Fig. 1 gezeigt ist) liegt. In diesem Fall kann die Rotorwelle 127 innerhalb eines Tunnels rotieren, der quer und aufgehängt innerhalb des Rohrverteilerabschnitts 139 des Lufteinlasskanals am Verdichtereinlass liegt; der Tunnel stellt ein Flüssigkeitsstromhindernis dar, das zusammen mit dem im Wesentlichen rechtwinkligen Flüssigkeitsstromrichtungswechsel, der durch die in Bezug auf die Rotorachse senkrecht dazu stehende Einlasskanalachse ausgelöst wird, bestimmte Anforderungen zum Erhalt einer gewünschten gleichmäßigen und symmetrischen Verteilung von zerstäubtem Wasser in dem Lufteinlassstrom am Verdichtereinlass 102 stellt.
Wie zuvor diskutiert, werden das Positionieren, die Wassermasseninkrementbestimmung und Größenbestimmung einzelner Sprühgestelldüsen 305 und Sprühgestellwasserleitungen 303 vorzugsweise unter diesen Umständen ausgestaltet, um eine ausreichend symmetrische und einheitliche Kühlung des Gehäuses 125 vorzusehen, damit das Gehäuse 125 nicht inakzeptabel verformt wird. Die Veränderung des Massenstroms an zerstäubtem Wasser zu dem Verdichtereinlass 102 über eine Mehrzahl von Massenstromschritten zerstäubten Wassers wird dann im Betrieb durchgeführt, so dass im Betrieb ausgelöste thermische Spannungen innerhalb der Gasturbinenmaschine 101 infolge der Verwendung des modifizierten Massenstroms an zerstäubtem Wasser ausreichend minimiert werden, um die gesamte strukturelle Unversehrtheit der Gasturbinenmaschine 101 zu bewahren. In dieser Hinsicht können Temperaturschocks infolge sehr schneller Veränderung des Massenstroms an zerstäubtem Wasser zu dem Verdichtereinlass 102 (sogar wo dort eine Gleichmäßigkeit der Wasserverteilung in dem Arbeitsmedium vorliegt) ein Brechen in bestimmten legierten Komponenten innerhalb der Gasturbinenmaschine 101 auslösen, wenn die Oberflächentemperatur der Komponente schnell abgesenkt wird (was eine thermische Kontraktion in dem Oberflächenabschnitt der Komponente auslöst), während der Rest der legierten Komponente entweder (a) nicht vergleichbar zusammengezogen wird, oder (b) sich in einem Zustand dimensionaler Ausdehnung befindet.
Eine andere auf die Nasskompression bezogene Instrumentierungsverstärkung nach der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung eines Sensors zum Feststellen des Vorhandenseins von Flüssigkeit im Verbrennungsabschnitt, um das Vorliegen von Flüssigkeit am Eingang des Verbrennungsabschnitts am Verdichterausgang sicherzustellen. In Bezug hierauf kann er von Nutzen sein, um entweder die Menge an zugeführtem Wassermassenstrom auf ein solches Niveau zu begrenzen, dass Flüssigkeit am Verdichterausgang nicht gemessen wird (Einlass zu dem Verbrennungsabschnitt) oder (wenn die Verbrennungskammern 105 ausreichend robust oder schutzbeschichtet sind, um möglichen erosiven Auswirkungen des Wassers von dem Verdichterausgang zu widerstehen) es kann tatsächlich wünschenswert sein, ausreichend Wasser zuzufügen, um eindeutig Flüssigkeit in dem Verbrennungsabschnitt zu erhalten, um eine immer noch weiter ausgedehnte Leistungserhöhung in einer Art zu erreichen, ähnlich der, die derzeit im Stand der Technik durch Wasserinjektion in den Turbinenabschnitt für eine Stickstoffoxide (NOx)-Steuerung erreicht wird. Ein solcher Sensor oder ein Satz von Sensoren sollte am inneren Umfang (Innenwandung) des Gehäuses 125 am Verdichterausgang angeordnet werden, wenn irgendeine freie Flüssigkeit möglicherweise durch Zentrifugalkraft an diese Stelle bewegt wird.
Um dem Betrieb der Gasturbinenmaschine 101, die die Wasserzugabe gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst, zu unterstützen, wird ein Prozesssteuerungscomputer (nicht gezeigt) in einigen Fällen mit den Ventilen (nicht gezeigt) verbunden, die zum Einstellen des Massenstroms an zerstäubtem Wasser verwendet werden, und mit dem Laserziel 407, so dass der Prozesssteuerungscomputer die Prozesssteuerungslogik ausführen kann zum Steuern ("Anstellen" oder "Abstellen") des Massenstroms an zerstäubtem Wasser zu jeder einzelnen Sprühgestellwasserleitung 303 und Sprühgestellwasserdüse 305, so dass eine Deformation des Gehäuses 125 minimiert wird. Im Hinblick darauf verwenden einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung einzelne Abstimmdüsen (nicht gezeigt), die entweder in der Sprühgestellanordnung 201 oder an einigen anderen Stellen in dem Lufteinlasskanal 133 oder in dem Verdichter 102 installiert werden können, um zusätzliche Freiheitsgrade beim Erreichen einer stabilen und reaktionsfähigen Steuerung des Nasskompressionsprozesses vorzusehen. Der Prozesssteuerungscomputer führt auch Logik aus, um den Druck auf die gesamte Sprühgestellanordnung 201 zu steuern, um den gesamten Massenstrom des Wassers fein abzustimmen.
Zusätzlich kann der Prozesssteuerungscomputer angeschlossen werden, um die Temperatur eines jeden Temperatursensors zu messen, die Eingaben von dem Sprühgestellvibrationsmonitor 411 zu messen, die Eingaben von den Sensoren zum Feststellen des Vorhandenseins von Flüssigkeit im Verbrennungsabschnitt zu messen, die Dampfströmung zu den Sprühgestelldampföffnungen 315 zu steuern, die Zugabe eines Gefrierpunktsenkers zu dem zugegebenen Wasser zu steuern, andere Maßnahmen, wie beispielsweise optische Pyrometriemaßnahmen an den Turbinenabschnittsblättern 121 zu erleichtern und noch weitere Maßnahmen und Steuerungsausgaben zu erleichtern, die ergriffen werden können, um umfassend den Betrieb des Gesamtsystems zu steuern.
Es wird ebenfalls erwogen, dass dieser Prozesssteuerungscomputer herkömmlicherweise die Anforderung einer Leistung für eine verbundene Gasturbine oder Turbinen 101 in Betracht zieht, die mit einer Nasskompressionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung versehen sind, und den Betrieb des Gesamtsystems steuert, der empfindlich gegenüber einem Wechsel bei dieser Anforderung ist, oder dass ein Prozesssteuerungssystem, das für ein Nasskompressionssystem nach der vorliegenden Erfindung entwickelt wurde, vorteilhaft mit einem Prozesssteuerungssystem für einen verbundenen chemischen Produktionsprozess oder eine Einrichtung verbunden wird, beispielsweise unter Verwendung einer Leistung, die von einer Gasturbine 101 erzeugt wird, die mit einer Nasskompressionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ausgerüstet ist. Die Gestaltung und Ausführung eines bestimmten diesbezüglichen Prozesssteuerungsschemas gehen über den geeigneten Bereich der vorliegenden Lehre hinaus, werden jedoch dahingehend beurteilt, dass sie gut innerhalb der Fähigkeiten von Fachleuten auf dem Gebiet einer bestimmten Betriebsumgebung und Betriebsbedingung oder von einer Anzahl von Umständen liegen.
Im Betrieb wird für Systeme mit der Möglichkeit eines Vorsehens höherer Zunahmeniveaus der Nettoleistungsabgabe einer Industriegasturbine, wie es im Wesentlichen bei chemischen Verarbeitungs- und Industrieleistungserzeugungsbetriebsumgebungen erwünscht wird, ein Massenstrom zerstäubten Wassers, vorzugsweise in einer Mehrzahl von Massenstrominkrementen zerstäubten Wassers während der Start- und Abschaltphase des Wasserzugabesystems zugeführt, so dass im Betrieb ausgelöste thermische Spannungen innerhalb der Gasturbinenmaschine 101 infolge der Verwendung zerstäubten Wassers ausreichend minimiert werden, um die strukturelle Unversehrtheit der Gasturbinenmaschine 101 zu bewahren. In dieser Hinsicht werden beste Ergebnisse erreicht, wenn der Betrag an Wasser schrittweise über der Zeit erhöht wird, um es zu ermöglichen, dass ein wesentliches und vernünftiges thermisches Gleichgewicht von und zwischen den verschiedenen Komponenten der Gasturbinenmaschine 101 erreicht wird, schrittweise über eine Zeitspanne hinweg, bis zu einer Wasserstrommenge, die gewünscht wird, um ein gegebenes höheres Zunahmeniveau auszuführen. Wenn die Wasserstromrate gesenkt wird, sollte sie über der Zeit in Schritten abgesenkt werden, die es ermöglichen, dass ein wesentliches und vernünftiges thermisches Gleichgewicht von und zwischen den verschiedenen Komponenten der Gasturbinenmaschine 101 erreicht wird, schrittweise über eine Zeitspanne hinweg, nach unten bis zu einer minimalen Menge an Strömung flüssigen Wassers, die gewünscht wird (was durchaus auch kein Zusatzwasserstrom sein kann). Daher sollte beispielsweise die Größe und der Abstand der Schritte so sein, dass das Gehäuse 125 und die Rotorwelle 127 nicht dazu gebracht werden, sich auf solch unterschiedliche Grade und bei solch unterschiedlichen Verhältnissen auszudehnen oder zusammenzuziehen, so dass eine mechanische Reibung auftritt zwischen diesen Elementen, aufgrund einer axialen Fehlausrichtung. Fachleute auf dem Gebiet werden es verstehen, dass die ansteigenden Raten, die für verschiedene Gasturbinen (auf einer Trockenbasis) verwendet werden, eine ohne weiteres angepasste Basis für eine Bestimmung verwenden, wie schnell gemäß der vorliegenden Erfindung Zunahmen einer gegebenen Größe zugeführt oder entfernt werden sollen.
Einstellungen bezüglich der Massenstromschritte zerstäubten Wassers können ebenfalls vorgenommen werden auf einer Ortsbasis, wie zuvor erwogen wurde. In Bezug hierauf kann beispielsweise einer gemessenen Verformung im Gehäuse 125 durch schrittweise Veränderung des Massenstroms an zerstäubtem Wasser in dem oberen (Kopf) Teil des Lufteinlasskanals 133 entgegengewirkt werden durch einen anderen Prozentsatz als den, der zum Verändern des Massenstroms an zerstäubtem Wasser in dem unteren (Boden) Teil des Lufteinlasskanals 133 verwendet wird.
Von der Position her ebenso wie hinsichtlich der Zeit sollten positive oder negative Wassermengeninkremente zugeführt oder abgezogen werden in einer solchen Art und Weise, um geeignet schädliche thermische und mechanische Spannungen in der Gasturbine 1 zu minimieren. Während der Anfangsstufe einer Implementierung ist es nützlich, das Ausrichten des Gehäuses 125 periodisch wiederkehrend zu bestätigen (nachdem das thermische Gleichgewicht von und zwischen den verschiedenen Komponenten der Gasturbinenmaschine 101 vernünftig erreicht wurde), vor dem Zufügen oder Wegnehmen von Massenstrominkrementen zerstäubten Wassers zu der Einlassluft.
Diesbezüglich wird ein klarer Unterschied zu irgendeiner erörterbaren Lehre einer Nasskompressionsleistungserhöhung benötigt, der im oben beschriebenen Stand der Technik gefunden werden kann, enthaltend die Praxis der Kurzzeitnasskompression in Flugzeugen ebenso wie die vorgeschlagene Praxis einiger Arten einer Nasskompressionsleistungserhöhungen bei einer stationären Turbine, wie von Nolan und Twombly berichtet, zum Erleichtern einer Nasskompression bei großen Maschinen, die unter Last arbeiten; in einer erörterbaren früheren Praxis einer den Erfindern bekannten Nasskompression konnte die für die Nasskompression in diesen kleineren Gasturbinen zugefügte Flüssigkeit im Wesentlichen in einem einzelnen Schritt "angestellt werden, (1), wenn eine kleinere Gasturbine (wie insbesondere bei Flugzeugen verwendet) nicht so maßlich empfindlich gegenüber Kühlungsauswirkungen ist, (2) die Verwendung einer Nasskompression zumindest im Falle eines Flugzeugs nur für eine relativ kurze Zeitdauer gilt und (3) die Zunahmeniveaus über eine weiter ausgedehnte Zeitspanne hinweg relativ niedrig sind. In großen stationären Industriegasturbinen sollte die für die Nasskompression zugeführte Flüssigkeit im Wesentlichen "angestellt" werden (oder alternativ entweder "runtergefahren" oder "ausgestellt") in einer schrittweisen Mehrzahl von Inkrementen im Zusammenhang mit Position und Zeit, (1) wenn eine große Gasturbine maßlich empfindlich ist für mit der zugeführten Flüssigkeit verbundene Kühlungseinflüsse von dieser, (2) die Verwendung einer Nasskompression für eine anhaltende und fortlaufende Zeitdauer gilt und (3) das nachgesuchte Zunahmeniveau im Wesentlichen signifikant und folgerichtig die Zugabe einer signifikanten Wassermenge zur Folge hat. Nichtsdestotrotz wird es für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sein, dass die Einführung großer Wasservolumina in irgendeinen Typus einer Gasturbine in einer Art, die (a) thermische Spannungen mildert oder (b) thermische Ausdehnung und Kontraktion mildert, vorteilhaft auf irgendeinen Gasturbinentyp angewendet werden kann, sogar auf solche, die entworfen wurden, um größere Mengen Wassers in ihrer Betriebsumgebung aufzunehmen, wie beispielsweise Flugzeugturbinen.
Als eine Folge von Wasserzugabeniveaus, die durch die vorliegende Erfindung erwogen werden, und da Niederschläge auf den Verdichterelementen durch Verdampfung des zugeführten flüssigen Wassers abgelagert werden, wurde herausgefunden, dass diese Ablagerungen außerhalb der mehreren ersten Reihen von Verdichterblättern auftreten, die derzeit durch herkömmliche grobe Verdichtersprühwaschsysteme gereinigt werden. Da diese Ablagerungen weiter in dem Verdichter angesammelt werden, muss ein Verlust in der Leistungsfähigkeit erwartet werden, auf den in den derzeitigen Online-Waschsystemen und -verfahren nicht Bezug genommen wird, dem man sich jedoch nur durch weniger bevorzugte Optionen durch eine Offline-Reinigung oder durch Öffnen des Verdichters und Reinigen desselben durch manuelle Einrichtungen zuwenden kann.
Die Erfinder haben folglich ein neues Online- Verdichterreinigungsverfahren zum Reinigen des Verdichterabschnitts einer Industriegasturbine entwickelt, unter Anwendung einer Nasskompressionsleistungserhöhung über eine Zeitspanne hinweg. In einer Ausführungsform wird, da das Reinigen durch einen Verlust der Gasturbinenleistungsfähigkeit angezeigt wird, die Mehrzahl an Massenstromschritten zerstäubten Wassers, zugeleitet durch eine Sprühgestellgruppenanordnung 201, beispielsweise durch einen herkömmlichen Verdichterwaschschritt mit grobem Spray von einem verfügbaren herkömmlichen Verdichterwaschsystem ergänzt, das nahe dem Verdichtereinlass angeordnet ist, oder einer oder mehrere der Feinsprühschritte wird ersetzt durch einen entsprechenden Wassermassenstrom von dem Verdichterwaschsystem mit grobem Spray. Mit der Anhäufung von Ablagerungen in nachfolgenden Reihen (beispielsweise nach den ersten vier bis fünf Reihen von Verdichterblättern) wird(werden) vorzugsweise ein zurückbehaltenes feinnebliges Inkrement oder Inkremente periodisch wiederkehrend oder intermittierend dem im Wesentlichen konstanten Massenstrom feinnebliger Inkremente zugeführt, die für Leistungserhöhungszwecke verwendet werden, anstelle eines Reinigungsschrittes mit grobem Spray, das zu den Verdichterwänden vor dem wirksamen Berühren dieser aufeinanderfolgenden Reihen von Blättern geschleudert würde.
Alternativ wird der Grobsprühschritt (, der für das Reinigen der mehreren ersten Reihen von Verdichterblättern nützlich ist,) weggelassen oder kann nicht direkt verfügbar sein in der Form eines bestehenden herkömmlichen Verdichterwaschsystems mit grobem Spray, und der feinneblige Reinigungsschritt oder die Schritte werden zur Reinigung der mehreren ersten Reihen von Blättern ebenfalls verwendet. Für immer noch nachfolgend höhere Reihen von Verdichterblättern, für die ausreichend zurückbehaltene feinneblige Reinigungsschritte nicht verfügbar sein können, beispielsweise Reihen 7, 8 und darüber eines mehrstufigen Axialverdichters, wird jeder der Sprühgestellschritte vorzugsweise gesteuert entfernt, und die Turbine wird periodisch wiederkehrend oder intermittierend eine Zeitlang ohne Wasserzugabe betrieben, um die Verschmutzungsablagerungen in diesen Bereichen des Verdichters zu verdampfen und/oder aufzubrechen.
Wo eine Offline-Reinigung begründet ist, sieht die vorliegende Erfindung in ähnlicher Weise einen Offline-Reinigungsprozess vor, der besonders angepasst ist für die Verwendung bei Industriegasturbinen, die frei und signifikant eine Nasskompressionsleistungserhöhung verwendet haben. Gemäß diesem Aspekt oder Merkmal der vorliegenden Erfindung wird die Turbine zunächst offline auf eine reduzierte Rotorgeschwindigkeit, wie es üblich ist, gebracht und der Verdichterabschnitt wird gekühlt (im Wesentlichen gemäß den Spezifikationen und Vorgehensweisen des Turbinenherstellers) durch Schleudern eine Zeitdauer lang bei einer zweiten Rotorgeschwindigkeit (die typischerweise in einem Bereich von 900 bis 1000 Umdrehungen pro Minute liegt) und für eine Offline-Verdichterwäsche konfiguriert. Es wird dann eine Rotorgeschwindigkei eingestellt, die zwischen dem anfänglichen Drehübersetzungsverhältnis und dem zweiten kühlenden oder Trudelübersetzungsverhältnis liegt, die geeignet ist zum Verteilen einer geschäumten Reinigungszusammensetzung im Wesentlichen über die Länge des Verdichters hinweg. Ein gegebenes Volumen einer geschäumten Reinigungszusammensetzung wird dann dem Verdichter über herkömmliche Einrichtungen, wie beispielsweise einen Luftausstoßer, eingegeben; verschiedene Verdichterreinigungsseifen und Zusammensetzungen sind für diesen Zweck bekannt, die einen geeigneten Schaum bilden oder die ohne weiteres hergestellt werden können, um einen Schaum zu bilden, unter Verwendung eines Schäumhilfsmittels irgendeiner Art. Der Einführung der geschäumten Reinigungszusammensetzung folgend wird eine reduzierte aufsaugende Rotorgeschwindigkeit (welche bei Null Umdrehung pro Minute liegen kann, die jedoch geringer ist als das zweite Trudelkühlungsübersetzungsverhältnis) eingestellt und das Aufsaugen wird solange fortgesetzt, wie es praktisch ist für den zeitlich geplanten Neustart der Turbine. Danach wird die Rotorgeschwindigkeit erhöht, um die geschäumte Reinigungszusammensetzung aus dem Verdichter herauszutreiben und eine flüssige Wasserspülung über die Länge des Verdichters hindurchzuschicken, und eine Spülung mit flüssigem Wasser wird vorzugsweise durch das Nasskompressionswasserzugabesystem zugeleitet. Vorzugsweise wird die Turbine dann ein zweites Mal mit einer geschäumten Reinigungszusammensetzung gefüllt und wiederum durchtränkt und gespült. Nach dem Sicherstellung, dass das Spülwasser angemessen aus der Turbine abgelassen wurde, wird die Turbine für den Betrieb wieder konfiguriert und neu gestartet.
In Zusammenfassung des vorhergehenden wurde eine Anzahl von Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung hierin beschrieben, jedoch werden Fachleute auf dem Gebiet der Gasturbinen zur selben Zeit ohne weiteres bevorzugen, dass die Ausführungsformen, die beschrieben wurden, durch keine Einrichtung erschöpfend für die möglichen nützlichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie sie durch die unten aufgeführten Ansprüche definiert wird, behandelt wurden. Daher können, während die bevorzugteste Form des Zuleitens von flüssigen Wassertröpfchen zu dem Arbeitsmedium Sprühdüsen 305 in einer Sprühgestellgruppenanordnung 201 verwendet, andere Vorrichtungen und Verfahren, die im Stand der Technik für das Ausbilden eines geeigneten flüssigen Nebels oder von Tröpfchen zerstäubten Wassers bekannt sind(dies bedeutet Ultraschallwasservernebler), theoretisch vorteilhaft bei der praktischen Anwendung der Erfindung verwenden werden. Zusätzlich sollte es offensichtlich sein, während die Laserstrahler- und Laserzieltechnologie ein elegantes und nicht teures Verfahren und eine Vorrichtung zur Verwendung bei der Steuerung der Winkeldeformation des Gehäuses 125 vorsieht, bezogen auf die Zugabe von Wasser zu dem Arbeitsmedium, dass es andere Technologien gibt, die verwendet werden können, um vorteilhaft denselben Maßnahmentyp zu erhalten und die im Stand der Technik wohlbekannt sind, enthaltend die Verwendung von Instrumenten zur Detektion eines drohenden Verdichterreibens (wie in Simmons et al. "Measuring Rotor and Blade Dynamics Using an Optical Blade Tip Sensor", ASME Paper Nr. 90-GT-91 (1990) und in Simmons et al. "Turning Gear Operation, Ist Influence on Combustion Turbine Rotor Eccentricity and Starting Dynamics", ASME Paper Nr. 93-GT-273 (1993) beschrieben) oder einfach durch Inspektion des Verdichters, nachdem eine vollständige Erhöhung für eine repräsentative Zeitspanne für irgendein offensichtliches Verdichterscheuern durchgeführt wurde.

BEISPIEL 1

Ein Beispiel des Vorteils einer Nasskompression war eine geschätzte Leistungserhöhung von 26% über einer Basislast-Leistung einer Westinghouse W-501A-Turbine mit einem bestehenden Einlassluftverdampfungskühlungssystem mit der Einführung von 89 Gallonen pro Minute (337 Liter pro Minute) eines zerstäubten heißen (typischerweise mit einer Temperatur von zwischen 130º Fahrenheit (54,4ºC) und 165º Fahrenheit (73,9ºC)) Wasserkondensats in den Turbinenverdichter. Fünf Schrittinkremente wurden durch eine Sprühgestellgruppenanordnung 201 hindurch verwendet und das zuvor installierte Verdichterwaschsystem, um eine Strömungsrate von 89 Gallonen (337 Liter) pro Minute zu erreichen, wobei jeder solcher Schritte so eingeschätzt wurde, dass er keine übermäßige Verformung des Gehäuses 125 verursacht.
Sprühnebelsysteme wurden in den Lufteinlasskanälen der zwei Westinghouse W-501A-Gasturbinen gemäß Fig. 1-6 der vorliegenden Anmeldung installiert. Jeder der fünf Sprühdüsenköpfe in einem jeden solchen System kann individuell mit Ventilen zu einer gemeinsamen Wasserleitung versehen sein, die geeignet ist, um annähernd 80 psi (550 kPa) den Düsen zuzuführen nach Kalkulation der Druckabsenkung, die verbunden ist mit einer Drosselöffnung in jeder der fünf Kopfzuführleitungen. Die Vernebelung war ausreichend fein (im Bereich von 150 bis 200 Mikrometern), um ein Mitreißen von Wassertröpfchen in der Luft zu gestatten, die zu dem Axialverdichter strömt, dessen Einlass mehr als 8 Fuß entfernt war.
Basierend auf Berechnungen unter Einschluss der Luftgeschwindigkeit, des Widerstandsbeiwerts und des Düsengewichts sorgte dieser Abstand für eine Absenkzeit, um eine Beschädigung des Verdichters zu vermeiden, für den Fall, dass eine Sprühdüse losgebrochen sein könnte. Drosselöffnungen in den einzelnen Düsengestellzuführleitungen begrenzten den Strom auf annähernd 35 gpm (Gallonen pro Minute, 132 Liter pro Minute) für den Fall eines Leitungsbruchs oder Düsenverlusts, wobei dadurch der Verdichter vor einem unkontrollierten Überfluten geschützt wird, was ein Stehenbleiben/einen Druckstoß auslösen könnte. Ein Computer überwacht auch eine Strömung für ein Überschreiten der vorhergesagten Rate. Dieses Zuleitungssystem wurde verwendet in Verbindung mit dem existierenden Verdichterwaschsystem mit grobem Sprühen (ringförmige Düsen), um eine Gesamtheit von 89 gpm (337 Litern pro Minute) für eine Leistungserhöhung durch Nasskompression zu liefern.
Ein eingebauter Diodenlaser (Handfeuerwaffenziel) mit reduzierter Leuchtfleckgröße wurde zwischen den vorderen Trägerbeinen nahe an dem Verdichtereinlass an einer geeigneten Stelle befestigt. Ein reflektierender Spiegel wurde an einer geeigneten Stelle an der Brennkammerschale axial versetzt um einen Abstand befestigt, der bemessen ist auf annähernd 102 Zoll (2,6 Meter) von dem Strahler entfernt. Die Strahlung wurde auf ein neben dem Laserdiodenstrahler befestigtes Ziel reflektiert. Ein Positionswechsel des Lichtflecks auf dem Ziel (Delta) definierte den Winkelwechsel zwischen den beiden Befestigungspositionen (Alpha) durch das Verhältnis Alpha = arc tan [Delta/(2 · 102)]. Ein Winkelwechsel von 0 Grad, 5 Minuten, 6 Sekunden wurde angezeigt als der Winkel einer Verformung zwischen einem trockenen Betrieb und einem Betrieb mit dem existierenden Verdichterwaschsystem plus dem zentralen Sprühgestell (das teilweise verstopfte Düsen aufwies). Dies wurde bestimmt durch einen Wechsel in der Ziellichtfleckposition des Lasers von annähernd 0,303 Zoll (7,7 mm). Dies repräsentierte die maximale Verformung, die zwischen der trockenen Kompression und einem Wassermaximum beobachtet wurde, das in diesem Nasskompressionsexperiment verwendet wurde (89 gpm oder 337 Liter pro Minute). Die beobachtete Winkelverformung war die maximal gewährbare, die für den Test festgesetzt wurde, und repräsentierte annähernd 80 % der gewährbaren Winkeldeformation, die benötigt wird, um ein Rotorscheuern zu erzeugen, basierend auf 0,090 Blattabständen zwischen Spitze und Dichtung, der Maschinengeometrie und Laserbefestigungspunkten für die angenommene gleichmäßige Krümmung zwischen den Laser- und Spiegelbefestigungspunkten (102 Zoll oder 2,6 Meter).
Eine "rohe" Leistungserhöhung von 8,2 Megawatt wurde anhand einer Verdichtereinlass/Nach-Verdampfungskühlung und der Temperatur einer Sprühgestellanordnung 201 von annähernd 80º Fahrenheit (26,7ºC) mit 89 gpm (337 Liter/Minute) Verdichterwasser gezeigt, ohne Einstellen auf eine gewünschte Reduktion der Feuerungstemperatur durch ein Nach-unten- Verschieben um 12º Fahrenheit (6,7ºC) in der Kontrollkurve und einen Wechsel bei der Verdichtereinlasstemperatur von 3º Fahrenheit (1,7ºC). Eine Verbesserung seitens des Wärmebetrags wurde ebenfalls beobachtet.
Die größte Zunahme von zugefügtem Wasser lag bei annähernd 20,5 gpm (77,6 Litern pro Minute) mit einer damit verbundenen Leistungserhöhung von 33,8 Mw bis 36,2 Mw (7,1%) unter Verwendung des Verdichterwaschsystems (obgleich zwei Sprühgestelle in die Wartung gestellt wurden innerhalb einer 10minütigen durchschnittlichen Zeitdauer vor dem dritten Testpunkt).

BEISPIEL 2

Eine Westinghouse W-501A-Gasturbine mit einer Einlassluftverdampfungskühlung (die im Wesentlichen Einlassluft mit 80%iger oder höherer relativer Feuchte zuführt) wurde mit einem Sprühnebelsystem ausgerüstet, wie hierin beschrieben und gezeigt, enthaltend fünf Sprühköpfe, die eine Gesamtheit von 38 Typ 1-7 N-316SS16-Düsen enthalten (von Spraying Systems Co., P. O. Box 7900, Wheaton, Illinois, 60189) und folglich die Leistungsfähigkeit aufweisen, um über 90 Gallonen (340 Liter) pro Minute zerstäubten flüssigen Wassers dem Turbinenverdichter zuzuführen.
Wie in den Fig. 7 bis 9 gezeigt, wurde von einem Startleistungserzeugungsniveau von etwa 33,6 Megawatt ein erster Kopf aktiviert, der etwa 15,2 Gallonen pro Minute (57,5 Liter pro Minute) zerstäubten heißen Wasserkondensats liefert, aktiviert und ein Leistungserzeugungszuwachs auf etwa 37,3 Megawatt erreicht - ein Zuwachs von 3,7 Megawatt oder etwa 11 Prozent, basierend auf dem Startleistungerzeugungsniveau.
Ein zweiter Kopf oder ein zweites Sprühgestell wurde dann mit im Wesentlichen keiner zusätzlichen Verminderung der gemessenen Lufteinlasstemperatur hinzugefügt, um schrittweise das Niveau des Massenstroms zerstäubten Wassers auf etwa 30,4 Gallonen pro Minute (115 Liter pro Minute) anzuheben, worauf ein weiterer Anstieg von etwa 1,3 Megawatt realisiert wurde, auf etwa 38,6 Megawatt.
Das Zufügen eines dritten Sprühgestells, um den Wassermassenstrom auf etwa 48 Gallonen pro Minute (182 Liter pro Minute) zu bringen, brachte die Leistungserzeugung von der Gasturbine auf etwa 40,0 Megawatt (wiederum etwa einen schrittweisen Anstieg von 1,3 bis 1,4 Megawatt).
Die Zufügung des vierten von fünf Sprühgestellen ergab eine Gesamtmassenstromrate zerstäubten Wassers von etwa 67 Gallonen pro Minute (254 Litern pro Minute) und eine entsprechend erhöhte Leistungserzeugung von der Turbine her von etwa 41,1 Megawatt.
Das fünfte Gestell wurde nicht hinzugefügt, da die Grenzen des verbundenen Rektifizierers erreicht wurden. Die Gesamtzunahme über alles für die 67 Gallonen (254 Liter) pro Minute schrittweise hinzugegebenen zerstäubten flüssigen Wassers lag bei 7,5 Megawatt oder etwa einem 22,3%igen Anstieg über der Startleistungserzeugung, von denen etwa die Hälfte durch ein erstes Massenstrominkrement zerstäubten Wassers realisiert wurde. Ein signifikanter Anstieg in dem tatsächlichen Einlassluftstrom wurde zusammenfallend mit dem Start des ersten Sprühgestells beobachtet und es wird angenommen, dass dieser verantwortlich ist für einen signifikanten Teil des großen anfänglichen Zunahmeschritts, der durch die Zugabe eines ersten Wassermasseninkrements realisiert wurde.
Unter Verfolgen des Erreichens dieses Zunahmeniveaus wurden die Sprühgestelle gestartet, um entfernt zu werden (wie angezeigt durch die Neigung bei der Leistungserzeugung am rechten Ende des Graphen (Fig. 7)). Wie weiter aus Fig. 9 zu ersehen ist, ist eine Gesamtabnahme des Wärmebetrags beim einfachen Zyklus ebenfalls mit dieser Zunahme verbunden.

Claims

1. Verfahren zur Erhöhung der Netto-Leistungsabgabe einer Industrie- Gasturbine (101), wobei die Gasturbine (101) einen mehrstufigen Axialverdichter (103) mit einem Einlass (102) zur Aufnahme eines Luft enthaltenden Arbeitsmediums enthält, wobei das Verfahren folgenden Schritt umfasst:

Versehen (201) des durch den Axialverdichter (103) aufgenommenen Arbeitsmediums mit Tröpfchen einer Flüssigkeit, die eine hohe latente Verdampfungswärme aufweist, in einer ansteigenden, schrittweisen oder anderweitig kontrolliert erhöhten Zugabeweise, um den Temperaturanstieg des Arbeitsmediums infolge der Kompression (103) zu vermindern und dabei einen Anstieg der Netto-Leistungsabgabe der Gasturbine (101) zu erreichen, gemessen gegenüber der Netto-Leistungsabgabe der Gasturbine (101) unter vergleichbaren Bedingungen, jedoch ohne Zugabe der Flüssigkeit.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die dem Arbeitsmedium zugeführte Flüssigkeit (201) ein Alkohol, eine Mischung von Alkoholen, Wasser oder eine Mischung von Wasser und einem oder mehreren Alkoholen ist.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Flüssigkeitströpfchen aus Wasser bestehen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, weiter enthaltend den Schritt des Bewirkens, dass das Arbeitsmedium zumindest vollständig befeuchtet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, bei dem die Flüssigkeitströpfchen (201) dem Arbeitsmedium über einen Zeitabschnitt länger zugeführt werden, als zum periodischen Beseitigen einer Teilchenansammlung auf inneren Komponenten erforderlich ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Flüssigkeitströpfchen (201) für eine kontinuierliche Dauer von zumindest 90 Minuten zugeführt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, angewendet über zumindest sechs Stunden innerhalb einer vorgegebenen 24-Stunden- Zeitspanne.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Gasturbine (101) eine Basisabgabeleistung von zumindest 35 MW aufweist.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Tröpfchen flüssiges Wasser sind und die Menge an Flüssigkeitströpfchen die Netto-Leistungsabgabe um zumindest 10% über die Netto-Leistungsabgabe unter vergleichbaren Bedingungen mit vollständig befeuchteter Luft erhöht.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Flüssigkeitströpfchenmenge die Netto-Leistungsabgabe um zumindest 20% über die Netto-Leistungsabgabe unter vergleichbaren Bedingungen mit vollständig befeuchteter Luft erhöht.

11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Massenstrom der Flüssigkeitströpfchen anfänglich erfassbar über die Zeit erhöht wird, um thermische Spannungen innerhalb der Gasturbine (101) zu mildern, die mit dem Zuführen (201) der Flüssigkeit zu dem Arbeitsmedium zusammenhängen, und danach ein im Wesentlichen konstanter Massenstrom für den Rest der Erhöhungsdauer beibehalten wird.

12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter enthaltend das Überwachen (403, 405, 407) einer Winkeldeformation in dem Gehäuse (125) des Verdichters (103) und das Steuern des Zuführens von Flüssigkeitströpfchen, um die Deformation auf vorbestimmte Toleranzen zu begrenzen.

13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem Flüssigkeitströpfchen (201) überwiegend als feiner Nebel mit einem mittleren Durchschnittströpfchendurchmesser von weniger als 200 um zugeführt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem flüssige Wassertröpfchen (201) dem Einlass (102) in Form einer Mehrzahl von Massenstrominkrementen zerstäubter Flüssigkeit zugeführt werden, wobei der gesamte Massenstrom der Inkremente über die Zeit modifiziert wird, um kontrollierbar die dem Einlass (102) zugeführte Flüssigkeitsmenge zu erhöhen.

15. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter enthaltend das Zuführen (313, 315) von Wärme und Feuchtigkeit zu dem Arbeitsmedium, um einen kontinuierlichen Leistungsanstieg während Zeitabschnitten zu ermöglichen, bei denen die Temperatur des Arbeitsmediums sonst auf ein Niveau abfallen würde, das eine schädliche Eisbildung in dem Verdichtereinlass (102) ermöglichen würde.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das Zuführen (313, 315) von Wärme und Feuchtigkeit zu dem Arbeitsmedium das Zuführen von Dampf zu dem Arbeitsmedium umfasst.

17. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Gasturbine (101) weiter einen Turbinenabschnitt (107) mit einer Mehrzahl von flüssigkeitsgekühlten Rotorblättern (121) und das Verfahren weiter das Überwachen des Temperaturprofils eines jeden der flüssigkeitsgekühlten Rotorblätter (121) umfasst.

18. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Flüssigkeitströpfchen Wasser sind und die Menge an Tröpfchen ausreicht, um ein Arbeitsmedium dem Verdichtereinlass (102) zuzuführen, das zumindest drei Viertel Prozent an flüssigem Wasser in Mischung mit vollständig befeuchteter Luft enthält.

19. Vorrichtung zur Leistungserzeugung, enthaltend eine Industriegasturbine (101) mit einem mehrstufigen Axialverdichter (103) mit einem Einlass (102) zum Aufnehmen eines Luft enthaltenden Arbeitsmediums und einer Tröpfchenzugabeeinrichtung (201) zum stufenweisen Erhöhen der Netto-Leistungsabgabe der Turbine (101) durch ein Verfahren nach Anspruch 1, durch Zuführen der Flüssigkeitströpfchen zu dem durch den Axialverdichter (103) aufgenommenen Arbeitsmedium über eine Betriebsperiode, in Form einer Mehrzahl von Massenstrominkrementen zerstäubter Flüssigkeit, wobei die Tröpfchenzuführeinrichtung (201) eine erste, im Wesentlichen neben dem Verdichtereinlass angeordnete Einrichtung zum Zuführen von Flüssigkeitströpfchen zu dem durch den Axialverdichter aufgenommenen Arbeitsmedium und eine Zusatzeinrichtung zum Zuführen von Flüssigkeitströpfchen zu dem Arbeitsmedium aufweist, wobei die Zusatzeinrichtung in einem größeren Abstand weg von dem Verdichtereinlass angeordnet ist als die erste Einrichtung.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, enthaltend, getrennt von der Tröpfchenzuführeinrichtung (201), eine Einlassluftverdampfungskühlungseinrichtung zum Kühlen der Umgebungsluft, die dem Verdichtereinlass (102) zugeführt wird.

21. Vorrichtung zur Leistungserzeugung, enthaltend eine Industriegasturbine (101) mit einem mehrstufigen Axialverdichter (103) mit einem Einlass (102) zum Aufnehmen eines Luft enthaltenden Arbeitsmediums; einer Einlassluftverdampfungskühlungseinrichtung zum Kühlen der Umgebungsluft, die dem Verdichtereinlass (102) zugeführt wird, und, getrennt von der Einlassluftverdampfungskühlungseinrichtung, eine Tröpfchenzuführeinrichtung (201) zum stufenweisen Erhöhen der Netto- Leistungsabgabe der Turbine (101) durch ein Verfahren nach Anspruch 1, durch Zuführen von flüssigen Wassertröpfchen zu dem durch den Axialverdichter (103) aufgenommenen Arbeitsmedium über eine Betriebsperiode hinweg, in Form einer Mehrzahl von Massenstrominkrementen von zerstäubtem flüssigen Wasser in einer Menge, um eine vollständige Befeuchtung des Arbeitsmediums zu erreichen, und einer Maßnahme der Zwischenstufenverdampfungskühlung in einer oder mehreren Stufen des Verdichters.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, bei der die Tröpfchenzuführeinrichtung enthält:

eine erste Einrichtung, angeordnet im Wesentlichen neben dem Verdichtereinlass, zum Zuführen von flüssigen Wassertröpfchen daraus zu dem durch den Axialverdichter aufgenommenen Arbeitsmedium; und

eine Zusatzeinrichtung zum Zuführen flüssiger Wassertröpfchen zu dem Arbeitsmedium, wobei die Zusatzeinrichtung in einem größeren Abstand weg von dem Verdichtereinlass angeordnet ist als die erste Einrichtung.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, bei der die Tröpfchenzuführeinrichtung (201) in einem ausreichenden Abstand weg von dem Verdichtereinlass (102) so positioniert ist, dass, wenn im Betriebszustand unter Last irgendein Element der Tröpfchenzugabeeinrichtung (102) von dem Rest abbrechen sollte, ein solches Element durch Gravitation zu einer tieferen Oberfläche (136) eines Lufteinlasskanals (133) gezogen wird, der an dem Turbinengehäuse (125) angebracht ist und vor dem Verdichtereinlass (102) liegt, bevor es in Kontakt mit irgendeinem Element des Verdichters selbst (103) gesogen wird.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 23, weiter enthaltend Einrichtungen (403, 405, 407) zum Erfassen einer Deformation in dem Verdichtergehäuse (125) der Turbine, wie sie mit der Zugabe von Flüssigkeit zu dem Arbeitsmedium in Verbindung stehen können, und Strömungsüberwachungseinrichtungen, die mit der Tröpfchenzugabeeinrichtung verbunden sind, zum Einstellen des Massenstroms an dadurch zugeführten Flüssigkeitströpfchen in Abhängigkeit von einer gemessenen Deformation in dem Turbinengehäuse (125).

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 24, bei der die Gasturbine (101) weiter einen Turbinenabschnitt (107) mit einer Mehrzahl von flüssigkeitsgekühlten Rotorblättern (121) enthält und die Vorrichtung weiter eine Einrichtung zum Überwachen des Temperaturprofils eines jeden der flüssigkeitsgekühlten Rotorblätter (121) enthält.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 25, weiter enthaltend eine Einrichtung zum Überwachen einer schädlichen Vereisung an dem Verdichtereinlass (102) und Einrichtungen (313, 315) zum Zuführen von Wärme und Feuchtigkeit zu dem Arbeitsmedium während Zeitabschnitten, in denen die Temperatur des Arbeitsmediums, enthaltend Wasser, das von der ersten und der Zusatzzuführeinrichtung für flüssige Wassertröpfchen erhalten wird, sonst auf ein Niveau abfallen würde, das eine schädliche Eisbildung in dem Verdichtereinlass (102) auftreten lassen würde.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 26, bei dem die erste und die Zusatzeinrichtung zusammen bemessen sind, um dem Verdichtereinlass (102) ein Arbeitsmedium zuzuführen, das zumindest drei Viertel Gewichtsprozent flüssigen Wassers in einer Mischung mit vollständig befeuchteter Luft enthält.