DE69836910T2

DE69836910T2 - Vorrichtung für eine gasturbine

Info

Publication number: DE69836910T2
Application number: DE69836910T
Authority: DE
Inventors: Hitachi Ltd. Intellect. Property Shigeo Chiyoda-ku HATAMIYA; Hitachi Ltd. Intellect. Prop. Masahiko Chiyoda-ku YAMAGISHI; Hitachi Ltd. Intellect. Property Osamu Chiyoda-ku YOKOMIZO; Hitachi Ltd. Intellect. Property Yoshiki Chiyoda-ku NOGUCHI; Hitachi Ltd. Intellect. Prop. Moriaki Chiyoda-ku TSUKAMOTO
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-04-22
Filing date: 1998-04-22
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2018-04-23
Also published as: US20030163982A1; US6560957B2; US6973772B2; DE69836910D1; WO1998048159A1; US20050011180A1; US20040060276A1; EP0990780B1; US7278255B2; US6637185B2; EP0990780A1; EP0990780A4; US7146794B2; US20060032211A1; US20070039307A1; US6854259B2; US20020092286A1; JP4285781B2; US6389799B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gasturbinenanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Gasturbinenkreisprozesse mit hoher Feuchte sind beispielsweise in den japanischen Patent-Offenlegungsschriften Sho 57-79224, Sho 57-79225 und Sho 58-101228 sowie in dem US-Patent 4 448 018 offenbart, bei denen Wärmeenergie aus Gasturbinen-Verbrennungsabgas oder dergleichen zur Erzeugung von Wasserdampf zurückgewonnen wird. Der Wasserdampf wird in die Verbrennungsluft für die Gasturbine eingemischt und die Turbine wird von hochfeuchtem Verbrennungsabgas aus einer Brennkammer angetrieben, wodurch die abgegebene Leistung und der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung gesteigert werden.
Bei einer Ausgestaltung der vorstehend offenbarten Gasturbinenkreisprozesse mit hoher Feuchte sind ein Niederdruckverdichter und ein Hochdruckverdichter hintereinander angeordnet und zwischen die Verdichter ist ein direkter oder indirekter Wärmeaustauscher gestellt, wobei eine Wärmerückgewinnung dadurch erfolgt, dass in die verdichtete Luft aus dem Hochdruckverdichter Wasser eingespritzt wird.
Bei jedem bekannten Beispiel ist es jedoch erforderlich, in die verdichtete Luft, die einer Brennkammer zugeführt wird, um eine gewünschte Abgabeleistung oder einen gewünschten Wirkungsgrad der Leistungserzeugung zu erhalten, eine große Wassermenge einzuspritzen.
Wenn eine große Wassermenge enthaltende Luft der Brennkammer zugeführt wird, wird die Verbrennungsstabilität der Brennkammer schlecht. Insbesondere werden bei einer Gasturbine für die Leistungserzeugung die vorgemischte Verbrennungsluft und der Brennstoff in einem normalen stabilen Verbrennungsbereich zur Reduzierung der NOx-Menge im Abgas stark von der Zuführung der Luft, die eine große Wassermenge enthält, beeinflusst.
Die EP-A-0 444 913 offenbart eine Gasturbinenanlage mit einem Luftverdichter, einer Brennkammer, einer Turbine, einer Sprühvorrichtung, einer Wasserzugabevorrichtung und einem Wärmeaustauscher. Der Verdichter ist ein mehrstufiger Luftverdichter, der Verdichter hat, zwischen denen Zwischenkühler angeordnet sind, um die verdichtete Luft abzukühlen, bevor sie in den darauf folgenden Verdichter eingeführt wird. Ferner sind Flüssigkeitszuführeinrichtungen zum Zuführen von Wasser in die in den einzelnen Verdichter zu verdichtende Luft vorgesehen. Bei einer Ausführungsform führen Wasserzuführeinrichtungen Wasser in die verdichtende Luft unmittelbar vor dem Eintritt in den zweiten und dritten Verdichter ein. Da das Wasser unmittelbar vor dem Verdichter eingeführt wird, kann das Wasser, bevor es in den Verdichter geführt wird, nicht verdampfen, d.h. in den Verdichter treten nur nicht verdampfte Wassertröpfchen ein.
Die US-A-3 657 879 offenbart eine Gasturbinenanlage, in der Wasser über eine Leitung direkt in den stromaufbefindlichen Teil des Verdichters zugeführt wird. Das Wasser wird nicht der in dem Verdichter einzuführenden Luft zugeführt. Dementsprechend kann das von einer Einspritzpumpe geförderte Wasser die in den Verdichter eingeführte Luft durch latente Verdampfungswärme nicht kühlen.
Die JP-A-8 284685 offenbart eine Kühlwasser-Zerstäuberdüse, die Kühlwasser in die Atmosphäre spritzt. Hier ist eine Nebelfalle vorgesehen, die gesättigtes Wasser in der gekühlten Luft wiedergewinnt, die dem Verdichter zugeführt wird.
Die US-A-4 773 846 offenbart eine Gasturbinenanlage mit Nebelbildungsvorrichtungen, die Nebel in Luft einstrahlen, die über einen Verdichter einer Brennkammer zum Reduzieren schädlicher Emissionen in dem Abgas zugeführt wird. Zum Erhitzen der Luft, die durch die Nebelbildungsvorrichtungen mit Nebel versehen werden soll, sind Heizschlangen vorgesehen. Der Zweck der Heizschlangen besteht darin, die Umgebungsluft auf eine Temperatur vorzuerwärmen, die die Befeuchtung durch die Nebelbildungsvorrichtungen erleichtert.
Die EP-A-0 051 493 offenbart eine Gasturbinenanlage mit einem ersten Verdichter und einem zweiten Verdichter, zwischen denen ein Zwischenkühler zum Kühlen der verdichteten Luft vorgesehen ist, die den ersten Verdichter verlässt und in den zweiten Verdichter eintritt. Durch eine Leitung wird unter Druck stehendes Wasser in die Luft eingeführt, die dem zweiten Verdichter zugeführt wird, wobei der Hauptteil des Wassers in dem Zwischenkühler vorerwärmt wird.
Die US-A-5 271 215 offenbart eine Gasturbinenanlage mit Vorrichtungen zum Einspritzen von Dampf und flüssigem Wasser zwischen dem Auslass aus einem Luftverdichter und dem Einlass eines Brenners.
Die CH-A-457 039 beschreibt eine Gasturbinenanlage, in der von Abgasen vorgewärmtes Wasser zwischen die Verdichterstufen eines Verdichters oder dahinter eingespritzt wird.
Die DE-A-717 711 beschreibt eine Gasturbinenanlage, bei welcher Wasser periodisch in die Brennkammer zur Erhöhung der Leistungsabgabe eingespritzt wird.
Offenbarung der Erfindung
Das Ziel der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Gasturbinenanlage, die in der Lage ist, einen Befeuchter und eine Vorrichtung zur Rückgewinnung von Wasser aus Gasturbinenabgas und dergleichen durch Verringern der Menge des zugeführten Wassers zu verkleinern und weiterhin die Leistungsabgabe und den Wirkungsgrad der Leistungserzeugung durch Reduzierung des Verlusts an verdichteter Luft und Abgas zu steigern.
In einem Gasturbinenkreisprozess mit hoher Feuchte wird der Luft für die Verbrennung eine große Feuchtemenge zugegeben. In diesem Fall, wenn die Feucht teilweise der von der Atmosphärenluft zugeführten Luft zugesetzt wird, kann ein Befeuchter und ein Wärmeaustauscher zum Zuführen von heißem Wasser zu einem Befeuchter verglichen mit einem Verfahren, bei dem Feuchte der verdichteten Luft zugesetzt wird, verkleinert werden.
Als Folge wird der Druckverlust in dem Anlagenteil, der zwischen eine Gasturbine und die Luftverdichter eingesetzt wird, beispielsweise in dem Befeuchter und Wärmeaustauscher, verringert, wodurch der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung der Gasturbine verbessert werden kann.
Daher kann die Leistung des Luftverdichters verringert werden, auch wenn der Luftverdichter nicht unterteilt ist oder eine Vielzahl von Luftverdichtern nicht in Reihe angeordnet sind, wodurch die Leistungsabgabe und der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung der Gasturbine verbessert werden kann.
Das Ziel der Erfindung wird durch eine Gasturbinenanlage mit den Merkmalen des Anspruch 1 erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den Ansprüchen 2 bis 12 beansprucht.
Mit diesen Ausgestaltungen kann die Menge des zugeführten Wassers verringert werden. Da das wiedergewonnene Wasser, das Wärme des Abgases enthält, wieder verwendet werden kann und die erzeugte Wärme zu der Stromaufseite der Brennkammer zurückgeführt werden kann, kann der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung der Gasturbine weiter verbessert werden. Ferner wird das zurückgewonnene Wasser durch Verwendung von verdichteter Luft oder Abgas aus der Gasturbine als Wärmequelle erwärmt, wodurch eine Heizeinrichtung zum Erwärmen von Wasser vor der Zugabe des Wassers zur verdichteten Luft verkleinert werden kann. Dies ermöglicht eine Reduzierung des Druckverlustes und somit eine weitere Steigerung des Wirkungsgrads der Leistungserzeugung.
Bei der vorstehend beschriebenen Gasturbinenanlage hat die Sprühvorrichtung vorzugsweise Zerstäuber, die in einer Vielzahl von Stufen längs des Luftstroms in der Luftansaugkammer so angeordnet sind, dass die Temperatur des Wassers, das von einem auf der Stromabseite angeordneten Zerstäuber versprüht wird, höher ist als die Temperatur des Wassers, das von einem der auf der Stromaufseite angeordneten Zerstäuber versprüht wird.
Da bei dieser Ausgestaltung der Massendurchsatz am Einlass des Verdichters erhöht und dadurch die Wassertröpfchen, die in dem Verdichter leicht zu verdampfen sind, von dem Einlass des Verdichters aus zugeführt werden können, ist es möglich, die Verdampfungsmenge in dem Verdichter stabil zu steigern.
Insbesondere wird Ansaugluft von den Wasserzerstäubern an den vorderen Stufen gekühlt, um den Massendurchsatz der Luft zu erhöhen und es wird Wasser mit hoher Temperatur aus den Wasserzerstäubern an den hinteren Stufen, die in der Nähe des Verdichtereinlasses angeordnet sind, auf die Luft gesprüht, wodurch Wasser, das in dem Verdichter leicht verdampft werden kann, in der dem Verdichter zuzuführenden Luft in großem Ausmaß enthalten sein kann.
Dadurch, dass das Verhältnis aus der Menge des Wassers, das der Luft durch die Sprühvorrichtung zugeführt wird, und aus der Menge des Wassers, die der verdichteten Luft durch die Wasserzugabevorrichtung zugegeben wird, groß gemacht wird, ist es möglich, die Leistungsabgabe und den Wirkungsgrad der Leistungserzeugung weiter zu steigern.
Die vorstehend beschriebene Gasturbinenanlage hat vorzugsweise weiterhin eine Steuereinheit zum Steuern der Menge des der Luft zugesetzten Wassers derart, dass die Menge des die Luft durch die Sprühvorrichtung versprühten Wassers in einem Bereich von 1/50 bis 1/5 bezogen auf die Menge des Wassers liegt, das der verdichteten Luft durch die Wasserzugabevorrichtung zugegeben wird.
Die vorstehende Menge des durch die Sprühvorrichtung in die Luft gesprühten Wassers liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1/25 bis 1/10 bezogen auf die Menge des Wassers, das der verdichteten Luft durch die Wasserzugabevorrichtung zugegeben wird.
Die vorstehend beschriebene Gasturbinenanlage hat vorzugsweise eine Steuereinheit zum Steuern der Menge des der Luft zugegebenen Wassers derart, dass die Menge des in die Luft durch die Sprühvorrichtung gesprühten Wassers einen Bereich von 1/50 bis 1/5 bezogen auf die Menge des Wassers liegt, das der verdichteten Luft durch die Wasserzugabevorrichtung zugegeben wird, wobei das Verhältnis aus der Menge des zu der Wasserzugabevorrichtung und von ihr weg umgewälzten Wassers und aus der Menge des der verdichteten Luft durch die Wasserzugabevorrichtung zugegebenen Wassers so gesteuert wird, dass es im Bereich von 70% bis 95% liegt.
Das vorstehende Verhältnis liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1/25 bis 1/10.
Bei der vorstehend beschriebenen Gasturbinenanlage wird vorzgsweise das Verhältnis aus der Menge des in die Luft durch die Sprühvorrichtung gesprühten Wassers und aus dem Massendurchsatz der Luft so gesteuert, dass es im Bereich von 0,2% bis 5% liegt und dass das Verhältnis aus der Menge der verdichteten Luft durch die Wasserzugabevorrichtung zugege benen Wassers und aus dem Massendurchsatz der von dem Verdichter geförderten verdichteten Luft so gesteuert wird, dass es in einem Bereich von 30% oder weniger liegt.
Das vorstehende Verhältnis der Menge des in die Luft durch die Sprühvorrichtung gesprühten Wassers und aus dem Massendurchsatz der Luft liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,4% bis 2,5%.
Die vorstehend beschriebene Gasturbinenanlage hat vorzugsweise weiterhin eine Steuereinheit, um bei Lastabnahme die Menge des Wassers, die der verdichteten Luft durch die Wasserzugabevorrichtung zugegeben wird, und dann die Menge des in die Luft durch die Sprühvorrichtung zu sprühenden Wassers zu verringern, oder eine Steuereinheit, um bei Lasterhöhung die Menge des in die Luft durch die Sprühvorrichtung zu sprühenden Wassers und dann die Menge des die verdichteten Luft durch die Wasserzugabevorrichtung zuzugebenden Wassers zu erhöhen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Darstellung, die die Einflüsse einer Sprühvorrichtung 11 zum Sprühen von Wasser in die Ansaugluft und eines Befeuchters 7 zeigt,
3 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
4 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
5 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
6 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Abschnitts der Wasserrückgewinnungsvorrichtung 8.
Beste Weise zur Ausführung der Erfindung
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen gezeigt. 1 ist eine schematische Darstellung eines Gasturbinenkreisprozes ses, die eine erste Ausführungsform zeigt. Eine Gasturbinenanlage zur Leistungserzeugung hat, wie in Punkt 1 gezeigt ist, einen Verdichter 2 zum Verdichten von Luft und zum Fördern der verdichteten Luft, eine Brennkammer 4, der die von dem Verdichter verdichtete Luft zugeführt wird, eine Gasturbine 1, die von Verbrennungsabgas angetrieben wird, das aus der Brennkammer gefördert wird, und einen Stromerzeuger 3, der mit der Gasturbine 1 mit einer Welle verbunden ist. Der Stromerzeuger 3 ist mit einer Stromübertragungsleitung verbunden, die in 1 nicht gezeigt ist. Zu vermerken ist, dass in dieser Figur eine Pumpe und dergleichen nicht gezeigt ist.
Mit dem Verdichter 2 ist eine Luftansaugkammer 22 zum Ansaugen von Luft und zum Zuführen der Luft zu dem Verdichter 2 verbunden. Im vorderen Ende der Luftansaugkammer ist gewöhnlich eine Filterkammer 21 für die Ansaugluft angeordnet, die einen Filter 23 enthält. An einem stromaufseitigen Abschnitt der Filterkammer 21 für die Ansaugluft ist eine Jalousie 24 angeordnet.
Eine Sprühvorrichtung 11 zum Sprühen von Wasser auf die Ansaugluft, die in der Luftansaugkammer angeordnet ist, hat einen Zerstäuber, der gewöhnlich als Sprühdüse ausgestaltet ist, wie sie in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Hei 9-236024 beschrieben ist. Der mittlere Teilchendurchmesser (SMD) nach Zautor der von der Sprühdüse versprühten Wassertröpfchen beträgt etwa 10 μm. Bei dieser Ausführungsform ist die Sprühvorrichtung beispielsweise am Einlass des Verdichters in der Luftansaugkammer 22 getrennt von den stationären Schaufeln der ersten Stufe angeordnet. Insbesondere ist bei dem in 1 gezeigten Beispiel die Sprühvorrichtung 11 auf der Stromabseite des Ansaugluftfilters 23 in der Filterkammer 21 angeordnet.
Mit der Sprühvorrichtung 11 steht eine Leitung zum Zuführen von zu versprühendem Wasser in Verbindung. Das zu versprühende Wasser wird aus einer Wasserzuführvorrichtung 15 der Leitung zugeführt.
In einer Leitung, durch welche von dem Verdichter 2 geförderte verdichtete Luft der Brennkammer 4 zugeführt wird, ist eine Wasserzugabevorrichtung zum Zugeben von Feuchte zu der verdichteten Luft durch Aufsprühen von Wassertröpfchen auf die verdichtete Luft angeordnet. Die Wasserzugabevorrichtung ist gewöhnlich als Befeuchter 7 ausgebildet. Für die Aufnahme der verdichteten Luft aus dem Befeuchter 7 und zum Erhitzen der verdichteten Luft unter Verwendung von Gasturbinenabgas als Wärmequelle ist ein Regenerator 5 vorgesehen. Die von dem Regenerator 5 erwärmte verdichtete Luft wird der Brennkammer 4 zugeführt.
Der Befeuchter 7 hat eine Leitung, durch die ihm Wasser zugeführt wird, das der verdichteten Luft zugeführt werden soll. Der Leitung wird Wasser aus der Wasserzuführvorrichtung 15 zugeführt. Die Leitung kann für eine Umwälzung eines zurückgewonnenen Teils des zugeführten Wassers vorgesehen werden, um dem Befeuchter 7 wieder zurückgewonnenes Wasser zuzuführen. Die Wasserzuführvorrichtung 15 kann für die Aufnahme von Wasser aus einer Wasserquelle außerhalb des Systems, das von der Gasturbinenanlage und ihrer zugehörigen Ausrüstung gebildet wird, oder für die Aufnahme von Wasser aus einer Wasserquelle innerhalb des Systems, das von der Gasturbinenanlage und seiner zugehörigen Ausrüstung gebildet wird, ausgebildet sein. Alternativ kann entweder die Wasserzuführvorrichtung 11 oder der Befeuchter 7 für die Aufnahme von Wasser aus einer Wasserquelle außerhalb des Systems gebildet sein, während die/der andere hauptsächlich für die Aufnahme von rückgewonnenem Wasser ausgestaltet ist.
Der Befeuchter 7 kann eine Bauweise haben, bei welcher Wassertröpfchen in den Strom der verdichteten Luft gesprüht werden oder Wasser einem Aufbau zugeführt wird, der einer Strömungsleitung zugewandt ist, durch die Luft strömt, wodurch Wasser in thermischen Kontakt mit dem Strom der verdichteten Luft gebracht wird. Wenn im ersten Fall der Befeuchter 7 die gleiche Sprühbauweise wie die Sprühvorrichtung 11 hat, kann der größte Teil des der verdichteten Luft zugeführten Wassers wiedergewonnen und der verdichteten Luft wieder zugeführt werden. Im letzteren Fall oder im ersteren Fall wird bei Verwendung einer solchen Sprühdüse ein großer Teil des der verdichteten Luft zugeführten Wassers wiedergewonnen, so dass ein Teil des wiedergewonnenen Wassers der verdichteten Luft wieder zugeführt werden kann. Bei jeder Bauweise wird vorzugsweise zur Begünstigung der Verdampfung des der verdichteten Luft zuzuführenden Wassers die Temperatur des Wassers auf einen hohen Wert gesetzt.
Die Gasturbinenanlage in dieser Ausgestaltung ist vorzugsweise mit einer Heizeinrichtung 6 für zugeführtes Wasser versehen. Die Heizeinrichtung 6 für zugeführtes Wasser wird für die Aufnahme von Wasser benutzt, das aus der Wasserzuführvorrichtung 15 zugeführt wird, oder das der verdichteten Luft zugegeben und daraus wiedergewonnen wird, wobei das Wasser durch Wärmeaustausch unter Verwendung von Abgas als Wärmequelle erwärmt wird, das aus der Gasturbine 1 gefördert wird. In die Heizeinrichtung 6 für zugeführtes Wasser eingeführtes Wasser wird darin einmal erwärmt und dem Befeuchter 7 zugeführt.
Als Folge ist das dem Befeuchter zugeführte Wasser leicht zu verdampfen. Das in die Heizeinrichtung 6 für zugeführtes Wasser eingespeiste Wasser wird dort einmal erhitzt und dann dem Befeuchter 7 als ankommendes Wasser zugeführt.
Die Anordnung der Heizeinrichtung 6 für zugeführtes Wasser ist für die Rückgewinnung von Wärmeenergie, die in herkömmlicher Weise als Abgas in die Atmosphärenluft abgeführt wird, durch die Heizeinrichtung 6 für zugeführtes Wasser vorteilhaft, wodurch die Leistungsabgabe und der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung des Gasturbinensystems für die Leistungserzeugung verbessert werden.
Die Gasturbinenanlage dieser Ausführungsform ist vorzugsweise auch mit einem Nachkühler 13 versehen. Der Nachkühler 13 wird für die Aufnahme von Wasser verwendet, das aus der Wasserzuführvorrichtung 15 zugeführt wird, oder das in die verdichtete Luft am Befeuchter 7 eingebracht und daraus zurückgewonnen wird, wobei das Wasser unter Verwendung von verdichteter Luft als Wärmequelle erwärmt wird, die dem Befeuchter 7 zugeführt wird. Das dem Nachkühler 13 zugeführte Wasser wird einmal erwärmt und dem Befeuchter 7 zugeführt.
Die Anordnung des Nachkühlers 13 ist vorteilhaft, weil die Temperatur des dem Befeuchter zugeführten Wassers erhöht wird und dadurch das Wasser leicht verdampft werden kann, so dass der Befeuchter verglichen mit dem in einer Kombination ohne Nachkühler auf der Basis der gleichen zugegebenen Wassermenge verkleinert werden kann. Ein weiterer Vorteil der Anordnung des Nachkühlers 13 besteht darin, dass, da die Temperatur der dem Befeuchter zugeführten Luft niedriger wird und dadurch die Temperatur der befeuchteten Luft am Auslass der Befeuchters niedriger gemacht werden kann, der Temperaturbereich der Wärmerückgewinnung aus dem Gasturbinenabgas, die am Regenerator 5 erfolgt, größer wird, mit der Folge, dass es möglich ist, Wärmeenergie rückzugewinnen, die als Abgas in die Atmosphärenluft abgeführt würde, wodurch die Leistungsabgabe und der Leistungserzeugungswirkungsgrad des Gasturbinensystems für die Leistungserzeugung verbessert wird.
Wie in 1 gezeigt ist, wird besonders bevorzugt, dass sowohl die Heizeinrichtung 6 für zugeführtes Wasser als auch der Nachkühler 13 in der Gasturbinenanlage vorgesehen werden.
Die Gasturbinenanlage ist ferner mit einer Steuereinheit 18 versehen. Die Steuereinheit 18 wird zum Steuern der Wassermengen, die der Sprühvorrichtung 11, dem Befeuchter 7 und dem Nachkühler 13 zugeführt werden, sowie der Wassermenge, die der verdichteten Luft am Befeuchter zugeführt wurde, rückgewonnen wird und in dem Nachkühler 13 oder der Heizeinrichtung 6 für zugeführtes Wasser umgewälzt wird, verwendet.
Es wird nun die Wirkungsweise des vorstehend beschriebenen Systems erörtert.
Die Luft 20, die aus der Atmosphärenluft in die Filterkammer 21 für die Ansaugluft eingetreten und mit Wassertröpfchen durch die Sprühvorrichtung 11 besprüht ist, wird in den Einlass des Verdichters 2 über die Luftansaugkammer 22 eingeführt. Die Luft 20 wird üblicherweise auf etwa 15 atm durch den Verdichter 2 verdichtet und gefördert (beispielsweise etwa 360°C). Der Förderdruck kann auch auf 20 atm oder mehr eingestellt werden, was von der Art der Gasturbine abhängt. Die von dem Verdichter 2 geförderte verdichtete Luft wird in den Nachkühler 13 eingeführt. Die Temperatur der verdichteten Luft wird durch den Nachkühler 13 verringert. Die verdichtete Luft wird dann dem Befeuchter 7 zugeführt. Am Befeuchter 7 strömt Wasser, das auf eine hohe Temperatur durch Wärmerückgewinnung an dem Nachkühler 13 der Heizeinrichtung 6 für zugeführte Luft erhitzt worden ist, von oben nach unten, während die Luft, die auf etwa 100°C durch den Nachkühler 13 abgekühlt worden ist, von unten nach oben strömt, so dass der Luftstrom in direktem Kontakt mit dem Gegenstrom von heißem Wasser gebracht wird, wodurch der Feuchtegehalt in der Luft erhöht wird. Die Luft strömt aus dem Befeuchter 7 in Form von gesättigter Luft (Luft mit hoher Feuchte), wobei ihre Temperatur auf etwa 140°C und ihre relative Feuchte auf etwa 100% erhöht sind, in den Regenerator 5. Die Luft mit hoher Feuchte, die in den Regenerator eingetreten ist, erhält Wärmeenergie aus dem Gasturbinenabgas, wird auf hohe Temperatur erhitzt und in die Brennkammer 4 eingeführt. In der Brennkammer 4 wird Brennstoff 50 zusammen mit der zugeführten Luft mit hoher Feuchte verbrannt und das Verbrennungsgas mit hoher Temperatur wird aus der Brennkammer 4 der Gasturbine 1 zugeführt. Die Gasturbine 1 betreibt den Stromgenerator 3. Das Verbrennungsgas, das durch die Gasturbine 1 durchgegangen ist, strömt aus der Gasturbine 1 in Form von Abgas mit hoher Temperatur ab, das durch den Re generator 5 in die Heizeinrichtung 6 für zugeführtes Wasser hindurchgeführt und in die Atmosphärenluft abgegeben wird.
Zusätzlich wird von der Wasserzuführvorrichtung 15 Wasser zugeführt, das in der Sprühvorrichtung 11 und dem Befeuchter 7 verwendet wird.
Es wird nun die Funktion der vorstehend beschriebenen Systemausgestaltung erläutert, die in der Lage ist, die Leistungsabgabe und den Wirkungsgrad der Leistungserzeugung des Systems zu steigern.
In die Ansaugluftkammer 22 eingetretene Luft wird mit Wassertröpfchen durch die Sprühvorrichtung 11, wie vorstehend beschrieben, besprüht. Zu dieser Zeit werden die Wassertröpfchen, die auf die Luft gesprüht werden, teilweise verdampft und kühlen die Luft ab. Die Luft strömt in den Einlass des Verdichters 2. Wenn die Luft abgekühlt ist, wird die Dichte der Luft groß. Dementsprechend wird der Massendurchsatz der Luft, die in den Verdichter strömt, erhöht. Als Folge kann eine Wirkung hinsichtlich Steigerung der Abgabeleistung der Gasturbine erhalten werden.
In dem Verdichter wird die Luft verdichtet und dadurch die Temperatur der Luft erhöht, was zur Folge hat, dass die in der dem Verdichter 2 zugeführten Luft als nicht verdampft zurückgebliebenen Wassertröpfchen latente Verdampfungswärme aus der Umgebungsluft absorbieren und dadurch verdampfen. Dementsprechend sinkt in dem Fall, wenn Wassertröpfchen hinzugegeben werden, die Lufttemperatur am Auslass des Verdichters auf einen niedrigeren Wert als in dem Fall, in welchem keine Wassertröpfchen zugegeben werden. Die Verdichtungsarbeit des Luftverdichters hängt von den Temperaturen am Einlass und Auslass des Verdichters ab und wenn der Temperaturanstieg der Luft am Auslass des Verdichters unterdrückt wird, wird die Verdichtungsarbeit des Verdichters verringert. Für die Gasturbine werden 50% oder mehr der Leistungsabgabe, die von der Gasturbine erzeugt wird, als Leistung verbraucht, die für den Verdichter benötigt wird, während bei der Gasturbine mit einem höheren Verdichtungsverhältnis der Prozentsatz der Leistungsabgabe, die als Leistung verbraucht wird, die für den Verdichter benötigt wird, weiterhin größer wird. Dementsprechend führt die Verringerung der Verdichterarbeit des Verdichters zur Steigerung der Nettoleistungsabgabe der Gasturbine.
Die auf die Luft von der Sprühvorrichtung 11 aufgesprühten Wassertröpfchen werden während des Zeitraums, in welchem sie in der Luftansaugkammer nach unten strömen, die sich in den Einlass des Verdichters erstreckt, und in dem Verdichter verdampft, wodurch eine Feuchte erzeugt wird, die in der verdichteten Luft bei hoher Temperatur (beispielsweise etwa 360°C) enthalten ist. Die verdichtete Luft wird einmal durch den Nachkühler 13 gekühlt, um zur Feuchte zu werden, die die verdichtete Luft bei etwa 100°C enthält, und in den Befeuchter 7 eingeführt. Der Befeuchter ist für die Erhöhung des Feuchtegehalts in der verdichteten Luft vorgesehen. Es wird Wärme, die aus dem Gasturbinenabgas über die Heizeinrichtung 6 für das zugeführte Wasser wiedergewonnen wird, oder die Wärme, die verdichtete Luft hat, als thermische Energie verwendet, die zum Verdampfen des Wassers in dem Befeuchter erforderlich ist. Um den Wirkungsgrad der Leistungserzeugung des Leistungserzeugungssystems zu verbessern, kann es erwünscht sein, Wärme in dem Temperaturbereich wirksam rückzugewinnen, der so niedrig wie möglich ist, und dadurch die nach außen abzuführende Wärme so gering wie möglich zu halten. Die Kombination des Nachkühlers und des Befeuchters kann Wasser bei niedriger Temperatur auf der Basis des gleichen Prinzips erhalten, wie es für den Kühlturm gilt, bei welchem die Erscheinung genutzt wird, bei der nach der Verdampfung des Wassers das Wasser die latente Wärme verliert, um seine Temperatur abzusenken. Dadurch ist es möglich, Wärme in einem niedrigeren Temperaturbereich zu gewinnen und somit den Wirkungsgrad der Leistungserzeugung des Leistungserzeugungssystems zu verbessern.
Die Luft mit hoher Feuchte strömt aus dem Befeuchter 7 als gesättigte Luft, wobei ihre Temperatur auf etwa 140°C und ihre relative Feuchte auf 100% erhöht ist, und strömt in den Regenerator 5. Die so in den Regenerator 5 eingeführte gesättigte Luft absorbiert Wärme, die von dem Gasturbinenabgas rückgewonnen wird, und wird Luft mit hoher Temperatur, die beispielsweise auf etwa 550°C am Auslass des Regenerators 5 gehalten ist. Die Luft mit hoher Temperatur strömt in die Brennkammer 4. In der Brennkammer 4 wird der Brennstoff zusammen mit der Luft mit hoher Temperatur verbrannt, wodurch ein Verbrennungsgas mit einer spezifischen Temperatur erzeugt wird. Da die für die Verbrennung verwendete Luft auf eine hohe Temperatur durch den Regenerator erhitzt wird, wird in einem solchen mit dem Regenerator 5 versehenen System die notwendige Brennstoffmenge kleiner als in dem System, das keinen Regenerator aufweist. Auf diese Weise führt die Verwendung des Regenerators zu einer starken Wirkung hinsichtlich einer Verbesserung des Leistungserzeugungswirkungsgrads des Leistungserzeugungssystems.
Im Falle des Betriebs des Systems mit der Verbrennungstemperatur, die auf einen speziellen Wert gesteuert ist, wird, wenn die Feuchtemenge, die in der der Brennkammer zugeführten Luft enthalten ist, größer wird, die Sauerstoffkonzentration in der Luft kleiner. Da die Wassermenge, die zugeführt werden muss, um die gleiche Leistungsabgabe und den gleichen Wirkungsgrad der Leistungserzeugung zu erhalten, kleiner als bei dem System bei dem Stand der Technik sein kann, bei welchem der bereits verdichteten Luft Wasser zugesetzt wird, kann bei dem System in dieser Ausführung die Sauerstoffkonzentration der der Brennkammer 4 zugeführten Luft erhöht werden, um dadurch eine stabilere Verbrennung zu erhalten. Da weiterhin bei dem System in dieser Ausgestaltung die erforderliche Brennstoffmenge zum Erzielen der gleichen Leistungsabgabe und des gleichen Wirkungsgrads für die Leistungserzeugung kleiner als bei einem System sein kann, das nur die Sprühvorrichtung 11 verwendet, um der Luft Wasser zuzuführen, ist es möglich, den Leistungserzeugungswirkungsgrad des Leistungserzeugungssystems weiter zu steigern.
Da eine große Feuchtemenge in dem Verbrennungsgas enthalten ist, wird der Durchsatz des Verbrennungsgases in der Turbine 1 proportional zur zugesetzten Feuchtemenge erhöht, wodurch die Abgabeleistung der Turbine gesteigert wird. Da der Wasserdampf, der eine spezifische Wärme hat, die größer ist als die der Luft, mit der Luft gemischt wird, wird die spezifische Wärme des gemischten Gases groß, mit der Folge, dass die erhaltene Arbeit gesteigert ist, wenn das verdichtete gemischte Gas in der Turbine expandiert. Als Folge wird die Leistungsabgabe der Turbine 1 durch die vorstehenden zwei Effekte erhöht.
Auf diese Weise ist es bei dieser Ausführungsform möglich, eine stabile Verbrennung zu erhalten, während die Leistungsabgabe und der Leistungserzeugungswirkungsgrad des Leistungserzeugungssystems verbessert werden und somit eine hoch wirksame stabile Verbrennung auch bei Teillast erhalten wird.
Bei dieser Ausführungsform hat das System ferner die Sprühvorrichtung 11 und die Wasserzugabevorrichtung 7. Die Sprühvorrichtung 11 ist in der Ansaugluftkammer 22 auf der Stromabseite des Verdichters 2 angeordnet und wird dazu verwendet, die dem Verdichter 2 zuzuführende Luft mit Wasser zu besprühen, so dass die Temperatur der dem Verdichter 2 zuzuführenden Luft weiter abgesenkt wird, als die der atmosphärischen Luft, wobei auf die Luft gesprühte Wassertröpfchen in einem Zeitraum verdampft werden, in welchem die in den Verdichter 2 zusammen mit der Luft, deren Temperatur abgesenkt worden ist, eingeführten Was sertröpfchen in den Verdichter 2 strömen. Die Wasserzugabevorrichtung 7 wird dazu verwendet, der verdichteten Luft, die durch die Sprühvorrichtung 11 zugesetzte Feuchte enthält und aus dem Kompressor 2 gefördert wird, Wasser zuzugeben. Bei dieser Ausgestaltung kann das System hochwirksam bei einer hohen Leistungsabgabe in einem Zustand arbeiten, in welchem die Wassermenge reduziert ist, die in die der Brennkammer zugeführte Luft eingegeben wird.
Das System hat in dieser Ausgestaltung deshalb die Eigenschaft, dass die gleiche Leistungsabgabe und der gleiche Wirkungsgrad der Leistungserzeugung bei einer verringerten Wassermenge, die der der Brennkammer zugeführten verdichteten Luft zugesetzt wird, verglichen mit dem System erreicht werden können, bei welchem Feuchte der Luft zugegeben wird, die bereits von dem Verdichter verdichtet ist.
Eine solche Wirkungsweise des Systems wird nachstehend beschrieben.
Zunächst wird der Grund beschrieben, warum die Wassermenge, die der der Brennkammer zugeführten verdichteten Luft in dem System der Erfindung zugegeben wird, kleiner als bei einem System nach dem Stand der Technik sein kann.
Bei dem System nach dem Stand der Technik für die Zugabe von Feuchte zu der verdichteten Luft (Gasturbinensystem mit hoher Feuchte, beispielsweise HAT-System) wird der Luft für die Verbrennung durch einen Befeuchter Feuchte zugesetzt, wobei in diesem Fall die Wärme, die aus dem Gasturbinenabgas durch eine Heizeinrichtung für zugeführtes Wasser wiedergewonnen wird, die Wärme, die durch Zwischenkühlung durch einen Verdichter wiedergewonnen wird und die Wärme, die die verdichtete Luft hat, als thermische Energie verwendet wird, die erforderlich ist, um Wasser in dem Befeuchter zu verdampfen. Andererseits werden bei dem System der vorliegenden Erfindung, wie vorstehend beschrieben, weil kein Zwischenkühler verwendet wird, und von dem Zwischenkühler zurückgewonnene Wärme nicht vorhanden ist, feine Wassertröpfchen auf die dem Verdichter zuzuführende Luft gesprüht und verdampft, bis sie in den Verdichter und durch ihn strömen, wodurch etwas Feuchte der Luft für die Verbrennung zugesetzt wird, bevor die Luft in den Befeuchter strömt.
2 zeigt die Änderung der Leistungsabgabe des Systems der vorliegenden Erfindung auf der Basis der Leistungsabgabe eines Vergleichsystems in einem Zustand mit der gleichen Menge an zugeführtem Wasser. Das Vergleichssystem hat einen Niederdruckverdichter und einen Hochdruckverdichter, die hintereinander angeordnet sind, sowie einen Zwischenkühler, wobei der von dem Hochdruckverdichter geförderten verdichteten Luft Wasser zugegeben wird. Bei dem System der vorliegenden Erfindung wird Feuchte in zwei Stufen zugegeben, nämlich in der vorderen Stufe, in welcher Feuchte auf die Luft gesprüht wird, bevor die Luft in den Verdichter strömt, und in der hinteren Stufe, bei welcher der von dem Verdichter geförderten verdichteten Luft Feuchte zugegeben wird (beispielsweise durch den Befeuchter) und dementsprechend das Verhältnis aus der Menge des Wassers, das auf die Luft gesprüht wird, bevor die Luft in den Verdichter strömt, und aus der Gesamtmenge des zugeführten Wassers auf der Abszisse aufgetragen ist. Wenn die Menge des auf die Ansaugluft gesprühten Wassers Null ist, ist in der Figur die Gesamtmenge des zugeführten Wassers äquivalent zur Wassermenge, die der verdichteten Luft durch den Befeuchter zugegeben wird.
In 2 zeigt die gestrichelte Linie Daten, die von dem System nach dem Stand der Technik erhalten werden, bei welchem Wasser durch den Zwischenkühler zugesetzt und ebenfalls der von dem Hochdruckverdichter geförderten verdichteten Luft zugesetzt wird. In diesem Fall ist das Verhältnis der Menge aus dem von dem Zwischenkühler zugesetzten Wasser und aus der Gesamtmenge des zugeführten Wassers auf der Abszisse aufgetragen.
Aus den in 2 gezeigten Ergebnissen lässt sich bewerten, dass, wenn das Verhältnis aus der Menge des durch die Sprühvorrichtung 11 zugeführten Wassers und aus der Gesamtmenge des zugeführten Wassers größer wird, die Änderung der Leistungsabgabe des Systems der vorliegenden Erfindung auf der Basis einer Leistungsabgabe des Vergleichssystems größer wird.
Wenn das System der vorliegenden Erfindung mit dem Vergleichssystem unter der Bedingung der gleichen Leistungsabgabe verglichen wird, wird, wenn das Verhältnis aus der Menge des durch die Sprühvorrichtung 11 des Systems der Erfindung zugeführten Wassers und aus der Gesamtmenge des zugeführten Wassers größer wird, dementsprechend die verwendete Wassermenge kleiner als die bei dem Vergleichssystem. Als Folge kann das System der vorliegenden Erfindung eine stabilere Verbrennung erreichen, während eine hohe Abgabeleistung und ein hoher Wirkungsgrad der Leistungserzeugung gewährleistet werden, wodurch die Betriebssicherheit der Gasturbinenanlage gesteigert wird.
Der Grund dafür wird auf der Basis des Mechanismus beschrieben, bei welchem die Leistungsabgabe dadurch erhöht wird, dass das Verhältnis aus der Menge von versprühtem Wasser und aus Ansaugluft groß gemacht wird.
Wie vorstehend beschrieben wird durch die Zugabe des Wassers zu der dem Kompressor zuzuführenden Ansaugluft durch Versprühen die Leistungsabgabe der Gasturbine erhöht. Es führt zu den folgenden vier Effekten:

(1) Bei dem ersten Effekt wird die Ansaugluft gekühlt und ihre Dichte erhöht, bis sie in den Verdichter strömt, so dass der Massendurchsatz der dem Verdichter zuzuführenden Luft und dadurch die Leistungsabgabe der Turbine erhöht wird.
(2) Bei dem zweiten Effekt absorbieren Wassertröpfchen, wenn sie in dem Verdichter verdampft werden, latente Wärme aus dem umgebenden Gas, so dass der Temperaturanstieg der Luft, die verdichtet wird und dadurch die erhöhte Temperatur erhält, verringert wird, wodurch die Verdichtungsarbeit des Verdichters reduziert wird.
(3) Bei dem dritten Effekt wird der Durchsatz auf der Turbinenseite proportional zur verdampften Menge der Wassertröpfchen erhöht, wodurch die Leistungsabgabe der Turbine gesteigert wird.
(4) Bei dem vierten Effekt wird, da der Wasserdampf mit einer spezifischen Wärme, die größer als die der Luft ist, in die Luft gemischt wird, die spezifische Wärme des gemischten Gases groß mit der Folge, dass die Arbeit, die man erhält, wenn das verdichtete gemischte Gas in der Turbine expandiert, gesteigert wird.

Das System der vorliegenden Erfindung hat die vorstehenden Wirkungen (1) bis (4). Das Vergleichssystem hat jedoch die Wirkungen (1) und (2) nicht, jedoch die Wirkungen (3) und (4) durch Zugabe von Feuchte zu der verdichteten Luft.
Andererseits zeigt 2 auch die Änderung des Wirkungsgrads der Leistungserzeugung des Systems der vorliegenden Erfindung auf der Basis des Wirkungsgrads für die Leistungserzeugung des Vergleichssystems. Aus den in 2 gezeigten Ergebnissen lässt sich bewerten, dass das Verhältnis aus der Menge des durch die Sprühvorrichtung 11 zugeführten Wassers zu der Gesamtmenge des zugeführten Wassers größer wird und die Änderung des Wirkungsgrads des Systems der vorliegenden Erfindung auf der Basis des Wirkungsgrads des Vergleichssystems größer wird.
Wenn somit das System der vorliegenden Erfindung mit dem Vergleichssystem unter der Bedingung eines gleichen Wirkungsgrads verglichen wird, wird, da das Verhältnis aus der Menge des der Sprühvorrichtung 11 des Systems der vorliegenden Erfindung zugeführten Wassers und aus der Gesamtmenge des zugeführten Wassers größer wird, die eingesetzte Wassermenge kleiner als die bei dem Vergleichssystem.
Für ein Gasturbinensystem, bei welchem die Sprühvorrichtung 11 einfach für den Verdichter vorgesehen wird, wird, da die Verdichtungsarbeit verringert wird, der Effekt der Steigerung der Leistungsabgabe groß. Da jedoch die Temperatur der Luft am Auslass des Verdichters abgesenkt wird, d.h. die Temperatur der dem Verdichter zuzuführenden Luft abgesenkt wird, wird die in der Brennkammer verwendete Brennstoffmenge groß, so dass nicht zu erwarten ist, dass der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung zunimmt.
Bei dem Vergleichssystem, bei dem das Wasser der verdichteten Luft zugeführt wird, werden, wenn die verwendete Wassermenge auf einen Wert eingestellt ist, die Leistungsabgabe und der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung bei jeweiligen Werten entsprechend bestimmt. Wenn die Leistungsabgabe und der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung durch Verstärkung der Zwischenkühlung verbessert werden soll, wird als Folge von dem Zwischenkühler wiedergewonnene Wärme verbraucht, um die Feuchtemenge zu steigern, die der verdichteten Luft in dem Befeuchter zugegeben wird. Das heißt, dass zur Verbesserung der Leistungsabgabe und des Wirkungsgrads der Leistungserzeugung die Wassermenge erhöht werden muss.
Im Gegensatz dazu weist das System bei dieser Ausführungsform die Sprühvorrichtung 11, den Befeuchter 7 und den Regenerator 5 auf. Die Sprühvorrichtung 11, die in der Ansaugluftkammer 22 vorgesehen ist, die auf der Stromaufseite des Verdichters 2 angeordnet ist, wird zum Sprühen von Wassertröpfchen zu der dem Verdichter 2 zuzuführenden Luft verwendet, wodurch die Temperatur der dem Verdichter 2 zuzuführenden Luft niedriger als die Temperatur der Atmosphärenluft gemacht wird. Die gesprühten Wassertröpfchen werden in den Verdichter 2 zusammen mit der Luft eingeführt, deren Temperatur abgesenkt worden ist, und werden in dem Zeitraum verdampft, in welchem die Wassertröpfchen in den Verdichter 2 zusammen mit der Luft strömen. Der Befeuchter 7 wird dazu verwendet, der verdichteten Luft Wasser zuzugeben, die die Feuchte enthält, die in Form der Wassertröpfchen durch die Sprühvorrichtung 11 zugesetzt worden ist und die von dem Verdichter 2 gefördert wird. Der Regenerator 5 wird dazu verwendet, die verdichtete Luft aufzunehmen, die durch den Befeuchter 7 zugegebene Feuchte enthält, und die verdichtete Luft durch Verwendung eines Gasturbinenabgases als Wärmequelle zu erwärmen. Dementsprechend kann das System die Verdichtungsarbeit verringern, während eine Reduzierung der Temperatur der verdichteten Luft, die der Brennkammer zuzuführen ist, unterdrückt wird. Insbesondere hat das System einen signifikanten Effekt, bei welchem, da die Luft für die Verbrennung in dem Regenerator erhitzt wird, auch wenn der Luft Feuchte zugesetzt wird, die Leistungsabgabe gesteigert werden kann, während die verwendete Brennstoffmenge in der Brennkammer wenig erhöht wird. Zusätzlich können bei dieser Ausführungsform unter der Bedingung, dass die gleiche Wassermenge wie bei dem Vergleichssystem zugeführt wird, die Leistungsabgabe und der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung dadurch verbessert werden, dass das Verhältnis aus der Menge des durch die Sprühvorrichtung 11 auf die Luft gesprühten Wassers und aus der Wassermenge, die der Luft durch den Befeuchter 7 zugesetzt wird, verbessert werden kann. Das heißt mit anderen Worten, dass bei dieser Ausgestaltung unter der Bedingung einer gleichen Leistungsabgabe und eines gleichen Wirkungsgrads für die Leistungserzeugung der Feuchtegehalt in der verdichteten, der Brennkammer 4 zuzuführenden Luft verringert werden kann, mit der Folge, dass die Verbrennungsstabilität verbessert werden kann.
Bei dem System nach dem Stand der Technik mit dem Zwischenkühler zum Reduzieren der Leistung für den Verdichter ergeben sich ein Druckverlust und ein Wärmestrahlungsverlust aufgrund des Wärmeaustauschers. Bei dem System der vorliegenden Erfindung jedoch, bei dem Wasser auf die Ansaugluft gesprüht wird, treten diese Verluste nur in geringem Maße auf, so dass dadurch die Leistungsabgabe und der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung effektiv verbessert werden.
Die Größe der von der Sprühvorrichtung 11 versprühten Wassertröpfchen wird unter dem Gesichtspunkt einer Unterdrückung einer Schaufelerosion auf 30 μm oder weniger, vorzugsweise 10 μm oder weniger eingestellt. Die untere Grenze der Größe der Wassertröpfchen kann auf etwa 1 μm im Hinblick auf den technischen Gesichtspunkt und die Energie eingestellt werden, die zur Erzeugung feiner Wassertröpfchen erforderlich ist.
Wenn in der Luftansaugkammer 22 ein Schalldämpfer angeordnet wird, wird die Sprühvorrichtung 11 vorzugsweise auf der Stromabseite des Schalldämpfers angeordnet. Beispielsweise kann sich die Sprühvorrichtung 11 in der Nähe des stromabseitigen Endes des Schalldämpfers befinden. Wenn in der Luftansaugkammer 22 ein Sieb oder dergleichen angeordnet wird, wird die Sprühvorrichtung 11 bevorzugt, beispielsweise auf der Stromabseite des Siebs unter dem Gesichtspunkt angeordnet, dass versprühte Wassertröpfchen auf dem Sieb haften.
Das Verhältnis aus der Menge des auf der Luft für die Sprühvorrichtung 11 gesprühten Wassers und aus der Menge des der verdichteten Luft durch den Befeuchter 7 zugegebenen Wassers wird vorzugsweise so gesteuert, dass es in einem Bereich von 1/50 bis 1/5, vorzugsweise von 1/25 bis 1/10 liegt.
Durch Einstellen des Verhältnisses zwischen beiden Wassermengen auf einen Wert in dem obigen Bereich ist es möglich, einen wichtigeren Effekt zu erhalten, eine stabile Verbrennung zu erreichen und die Stabilität der Ausrüstung des Systems zu verbessern. Es kann jedoch erwünscht sein, die obere und untere Grenze des vorstehenden Bereichs abhängig von den Eigenschaften der Ausrüstung geeignet einzustellen.
Das System hat bei dieser Ausführungsform die Sprühvorrichtung 11 und den Befeuchter 7, wobei Wärme aus dem durch den Befeuchter 7 wiedergewonnenen Wassers durch den Nachkühler 13 oder die Heizeinrichtung 6 für zugeführtes Wasser wiedergewonnen wird. Die in der Luftansaugkammer 22 vorgesehene Sprühvorrichtung 11, die auf der Stromauseite des Verdichters 2 angeordnet ist, wird zum Versprühen von Wassertröpfchen auf die dem Verdichter 2 zuzuführende Luft verwendet, wodurch die Temperatur der dem Verdichter 2 zuzuführenden Luft kleiner als die Temperatur der Atmosphärenluft gemacht wird. Die versprühten Wassertröpfchen werden in den Verdichter 2 zusammen mit der Luft eingeführt, deren Temperatur abgesenkt worden ist, und werden in einem Zeitraum verdampft, in welchem die Wassertröpfchen zusammen mit der Luft in den Verdichter strömen. In diesem Fall strömt der größte Teil der Menge des versprühten Wassers zusammen mit der Ansaugluft, so dass rückgewonnenes Wasser nicht im Wesentlichen oder nur wenig vorhanden ist. Der Befeuchter 7 wird dazu verwendet, der verdichteten Luft, die die Feuchte enthält, die in Form von Wassertröpfchen durch die Sprühvorrichtung 11 zugegeben wurde und die von dem Verdichter 2 gefördert wird, Wasser dadurch zuzugeben, dass die verdichtet Luft in Kontakt mit Wasser gebracht wird, das in einen Aufbau strömt, der dem Strömungsweg der verdichteten Luft zu gewandt angeordnet ist. In diesem Fall wird ein Teil des zugeführten Wassers der Luft zugegeben und das restliche Wasser wiedergewonnen. Bei dieser Ausgestaltung ist es möglich, ausreichend zurückgewonnene Wärme zu gewährleisten und das System mit einer höheren Leistungsabgabe zu betreiben.
Das System der vorliegenden Erfindung hat vorzugsweise weiterhin eine Steuereinheit zum Steuern der der Luft zugegebenen Wassermenge derart, dass die durch die Sprühvorrichtung 11 gesprühte Wassermenge im Bereich von 1/50 bis 1/5 der Menge des Wassers liegt, das der verdichteten Luft durch den Befeuchter 7 zugegeben wird. Dabei wird das Verhältnis aus der Menge des zu dem Befeuchter 7 hin und von ihm weg umgewälzten Wassers und aus der Menge des der verdichteten Luft durch den Befeuchter 7 zugegebenen Wassers vorzugsweise so gesteuert, dass es in einem Bereich von 70% bis 95% liegt.
Durch Einstellen des Verhältnisses zwischen beiden Wassermengen auf einen Wert in dem obigen Bereich ist es möglich, ausreichend rückgewonnene Wärme zum Erzielen einer stabilen Verbrennung und einer hohen Leistungsabgabe und eines hohen Wirkungsgrads für die Leistungserzeugung zu gewährleisten.
Das Verhältnis der Menge des durch die Sprühvorrichtung 11 versprühten Wassers und aus dem Massendurchsatz der Luft wird vorzugsweise so eingestellt, dass es in einem Bereich von 0,2% bis 5,0%, vorzugsweise von 0,4% bis 2,5% liegt, während das Verhältnis aus der Menge des von dem Befeuchter 7 versprühten Wassers und aus dem Durchsatz der verdichteten Luft, die von dem Verdichter gefördert wird, vorzugsweise so gesteuert wird, dass es in einem Bereich von 1,0% bis 30% liegt.
Die Zuführung von Wasser zur Luft nach Anlauf des Systems kann auf die folgende Weise ausgeführt werden:
In einem Zeitraum von einem Startpunkt bis zu einem Zeitpunkt, bei dem an der Gasturbine eine Last angelegt wird, wird die Zuführung von durch die Sprühvorrichtung versprühtem Wasser unterbrochen, und die verdichtete Luft wird in eine Umgehungsleitung (nicht gezeigt) strömen gelassen, um die von dem Verdichter 2 verdichtete Förderluft zu dem Regenerator 5 zu führen, während der Befeuchter 7 und/oder der Nachkühler 13 umgangen werden.
Bei dem darauf folgenden Zeitraum bis zu dem Nennbetrieb bleibt die Zuführung von Wasser durch die Sprühvorrichtung 11 unterbrochen und die von dem Verdichter 2 verdichtete Förderluft wird aus der Umgehungsleitung zum Befeuchter 7 und/oder dem Nachkühler 13 strömen gelassen und der verdichteten Luft am Befeuchter 7 Wasser zugegeben.
In dem Zeitraum nach dem Nennbetrieb wird Wasser durch die Sprühvorrichtung 11 versprüht, um dadurch die Gasturbine in einer kurzen Zeit zu starten.
Im Falle einer Laständerung wird die Zuführung des Wassers zur Luft wie folgt gesteuert:
Wenn die Last verringert wird, wird die Menge des der verdichteten Luft durch den Befeuchter 7 zugegebenen Wassers verringert und anschließend wird die Menge des durch die Sprühvorrichtung versprühten Wassers reduziert.
Wenn die Menge des der verdichteten Luft durch den Befeuchter 7 zugegebenen Wassers verringert wird, kann die Menge des Brennstoffs 50 zusammen mit der Wassermenge, wie sie benötigt wird, verringert werden.
Wenn die Last zunimmt, wird die von der Sprühvorrichtung 11 versprühte Wassermenge erhöht und dann wird die der verdichteten Luft durch den Befeuchter 7 zugegebenen Wassermenge erhöht.
Bei dieser Ausgestaltung kann zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Wirkungen ein Effekt erreicht werden, der in der Lage ist, das System bei hohem Wirkungsgrad nach Teilbelastung arbeiten zu lassen.
Zu erwähnen ist, dass die vorstehende Beschreibung der Steuerung lediglich zur Veranschaulichung dient und dass die vorliegende Erfindung natürlich nicht darauf begrenzt ist.
Unter Bezug auf 3 wird eine zweite Ausführungsform beschrieben.
3 ist eine schematische Ansicht, die eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die in 3 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1 gezeigten dadurch, dass die Wasserzuführvorrichtung 15 durch eine Wasserrückgewinnungsvorrichtung 8 zur Rückgewinnung von in Abgas enthaltener Feuchte ausgetauscht wird. Insbesondere wird zusätzlich in der in 1 gezeigten Ausgestaltung die Wasserrückgewinnungsvorrichtung 8 vorgesehen, um Verbrennungsabgas aufzunehmen, das durch den Regenerator 5 geführt worden ist (oder Verbrennungsabgas, das durch die Heizeinrichtung 6 für zugeführtes Wasser geführt worden ist, wenn die Heizeinrichtung 6 für zugeführtes Wasser vorgesehen wird) und um Feuchte aus dem Abgas zurückzugewinnen. Zur Reinigung des von durch die Wasserrückgewinnungsvorrichtung 8 zurückgewonnenen Wassers ist ferner eine Wasserbehandlungsvorrichtung 10 vorgesehen. Das von der Wasserbehandlungsvorrichtung 10 gereinigte Wasser wird der Sprühvorrichtung 11 oder dem Befeuchter 7 zugeführt.
Vorzugsweise wird, wie in 3 gezeigt ist, zusätzlich zu der vorstehenden Ausgestaltung ein Abgaszwischenerhitzer 9 für die Aufnahme von Abgas, das durch die Heizeinrichtung 6 für zugeführtes Wasser hindurchgegangen ist, und von Abgas, das durch die Wasserrückgewinnungsvorrichtung 8 hindurchgegangen ist, für einen Wärmeaustausch unter Verwendung der Abgase vorgesehen.
Wenn das rückgewonnene Wasser nicht ausreicht, werden der Sprühvorrichtung 11 oder dem Befeuchter 7 zuzuführendes Wasser außerhalb des Systems zugeführt. Vorzugsweise wird dem Befeuchter 7 rückgewonnenes Wasser in Präferenz zugeführt. Insbesondere wird das rückgewonnene Wasser zu dem Befeuchter 7 geführt und wenn die Menge des rückgewonnenen Wassers größer ist als die Menge des dem Befeuchter 7 zuzuführenden Wassers, wird die Überschussmenge an rückgewonnenem Wasser der Sprühvorrichtung 11 zugeführt. Der Sprühvorrichtung kann erforderlichenfalls Wasser von außerhalb des Systems zugeführt werden.
Bei dieser Ausführungsform wird Abgas, das durch den Regenerator 5 (oder durch die Heizeinrichtung 6 für zugeführtes Wasser) hindurchgegangen ist, dem Abgaszwischenerhitzer 9 zugeführt. An dem Zwischenerhitzer 9 wird das Abgas einem Wärmeaustausch mit Abgas mit niedriger Temperatur unterworfen, dessen Feuchte durch die Wasserrückgewinnungsvorrichtung 8 wiedergewonnen wurde, um in der Temperatur abgesenkt zu werden, und dann der Wasserrückgewinnungsvorrichtung 8 zugeführt. An der Wasserrückgewinnungsvorrichtung 8 wird die Feuchte aus dem so zugeführten Abgas wiedergewonnen. Ein Beispiel für das Wie dergewinnen von Feuchte aus dem Abgas besteht darin, das Gas auf Sättigungstemperatur (Taupunkt) des in dem Gas enthaltenen Wasserdampfs oder weniger zu kühlen. Beispielsweise kann die Temperatur des Abgases durch Kühlwasser abgesenkt werden, das von außerhalb des Systems zugeführt wird. Das aus der Wasserrückgewinnungsvorrichtung 8 austretende Abgas wird durch den Abgaszwischenerhitzer 9 erhitzt und aus einem Abgasturm (nicht gezeigt) an die Atmosphärenluft abgeführt.
Es kann in Betracht gezogen werden, dass Kohlendioxyd oder Verunreinigungen in dem Verbrennungsabgas in dem wiedergewonnen Wasser gelöst werden und deshalb das wiedergewonnene Wasser durch die Wasserbehandlungsvorrichtung 10 gereinigt wird. Das so gereinigte wiedergewonnene Wasser wird wieder als Wasser verwendet, das der verdichteten Luft durch den Befeuchter 7 zugegeben wird, oder als Wasser, das auf die Luft durch die Sprühvorrichtung 11 gesprüht wird. Das auf die Luft durch die Sprühvorrichtung 11 zu sprühende Wasser kann anstelle des wiedergewonnenen Wassers als Wasser verwendet werden, das aus der Wasserzuführvorrichtung 15 (nicht gezeigt) zugeführt wird.
Diese Ausführung zeichnet sich dadurch aus, dass aus dem Abgas wiedergewonnene Feuchte erneut verwendet wird.
Das Verhältnis aus der Menge des zurückgewonnenen Wassers und aus der Menge der in dem Abgas enthaltenen Feuchte hängt von dem Abkühlungsgrad des Abgases durch die Wasserrückgewinnungsvorrichtung ab. Wenn das Abgas gänzlich auf etwa 38°C abgekühlt ist, ist es möglich, rückgewonnenes Wasser in einem Ausmaß zu erhalten, das zu der der Luft zuzuführenden Wassermenge äquivalent ist. In diesem Fall ist es möglich, ein System zu verwirklichen, bei welchem nur das zurückgewonnene Wasser wieder verwendet wird und die Notwendigkeit Wasser neu zuzuführen im Wesentlichen entfällt. Im Allgemeinen wird als der Luft zuzuführendes Wasser Brauchwasser verwendet, das einer Wasserbehandlung unterworfen wurde. Von der Wärmeenergie aus gesehen ist die Temperatur des Brauchwassers häufig gleich oder etwas niedriger als die Temperatur der Atmosphärenluft. Andererseits liegt die Temperatur des aus dem Abgas zurückgewonnenen Wassers in der Größenordnung von etwa 38°C, was mehr als die Temperatur der Atmosphärenluft ist. Ferner kann rückgewonnenes Wasser, dessen Temperatur in einem höheren Bereich von etwa 60°C liegt, durch Optimierung der Rückgewinnungsart erhalten werden. Bei dieser Ausführungsform beträgt die Temperatur des dem Befeuchter 7 zuzuführenden Wassers etwa 180°C, wobei eine derart hohe Wassertemperatur durch Wärmeaustausch unter Verwendung von verschiedenen Wärmeaustauschern erhalten wird. Demnach sollte die Temperatur des dem Befeuchter zuzuführenden Wassers so hoch wie möglich sein.
Da bei dieser Ausführungsform aus dem Abgas zurückgewonnene Feuchte als zuzuführendes Wasser wieder verwendet wird, ist die Temperatur des zuzuführenden Wassers höher als die von üblichem Brauchwasser. Nimmt man an, dass die Wärme zum Erzielen von dem Befeuchter zuzuführenden Wasser mit hoher Temperatur fixiert ist, heißt das mit anderen Worten, dass im Falle der Verwendung von rückgewonnenem Wasser der Betrag der zurückgewonnen Wärme durch die verschiedenen Wärmeaustauscher niedriger gemacht werden kann als im Falle der Verwendung von Brauchwasser. Dies wirkt sich hinsichtlich der Verkleinerung des Wärmeaustauschers oder einer Verringerung des Durchsatzes von umgewälztem Wärmeaustauschmedium aus. Da bei dieser Ausgestaltung der Druckverlust der mit der Gasturbine verbundenen Anordnung verringert wird, ist es möglich, den Wirkungsgrad der Leistungserzeugung zu steigern. Da das zurückgewonnene Wasser, das Wärme aus dem Verbrennungsabgas enthält, genutzt werden kann, und die von der Gasturbine erzeugte Wärme zur Stromaufseite der Brennkammer zurück geführt. werden kann, um so wieder verwendet zu werden, wird bei dieser Ausführungsform zudem der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung der Gasturbine höher als bei der in 1 gezeigten Ausführungsform. Außerdem kann das System in dieser Ausgestaltung sogar bei Teillast mit einem hohen Wirkungsgrad der Leistungserzeugung betrieben werden.
Wenn als Brennstoff 50 verdampftes flüssiges Erdgas verwendet- wird, kann in einer Brennstoffzuführungsleitung eine Brennstoffheizeinrichtung für einen Wärmeaustausch des Brennstoffs 50 mit Wasser vorgesehen werden, das in einer Wasserzuführleitung strömt, die mit der Sprühvorrichtung 11 in Verbindung steht. Der der Brennkammer 4 zugeführte Brennstoff wird von dem zur Sprühvorrichtung 11 strömenden Wasser erwärmt. Das Wasser, dessen Temperatur durch den Wärmeaustausch an der Brennstoffheizeinrichtung abgesenkt worden ist, wird der Sprühvorrichtung 11 zugeführt.
Unter Bezug auf 4 wird eine dritte Ausführungsform beschrieben.
4 ist eine schematische Ansicht, die eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die in 4 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in 3 gezeigten dadurch, dass eine Wasserrückgewinnungsvorrichtung 8 in Direktkontaktbauweise zum Versprühen von kaltem Wasser vorgesehen ist und sich die Wasserzuführleitung, durch die Wasser der Sprühvorrichtung 11 zugeführt wird, von der Wasserzuführleitung unterscheidet, durch die Wasser dem Befeuchter 7 zugeführt wird. Insbesondere ist zusätzlich zu der in 1 gezeigten Ausgestaltung die Wasserrückgewinnungsvorrichtung 8 für die Aufnahme von Verbrennungsabgas, das durch den Regenerator 6 hindurchgegangen ist (oder von Verbrennungsabgas, das durch die Heizeinrichtung 6 für zugeführtes Wasser hindurch gegangen ist, wenn eine Heizeinrichtung 6 für zugeführtes Wasser vorgesehen wird) und für die Rückgewinnung von Feuchte aus dem Abgas vorgesehen. Zum Reinigen des von der Wasserrückgewinnungsvorrichtung 8 zurückgewonnenen Wassers ist eine Wasserbehandlungsvorrichtung 10 vorgesehen. Ferner ist zum Kühlen des durch die Wasserrückgewinnungsvorrichtung 8 zurückgewonnenen Wassers ein Umwälzwasserkühler 14 vorgesehen. Das durch die Wasserrückgewinnungsvorrichtung 8 zurückgewonnene Wasser wird der. Wasserzuführleitung zugeführt, die mit dem Befeuchter 7 in Verbindung steht, während das von der Wasserrückgewinnungsvorrichtung 8 zurückgewonnene Wasser, das eine abgesenkte Temperatur hat, der Wasserzuführleitung zugeführt wird, die mit der Sprühvorrichtung 11 in Verbindung steht.
Vorzugsweise ist, wie in 4 gezeigt ist, zusätzlich zu der vorstehenden Ausgestaltung ein Abgaszwischenerhitzer 9 für die Aufnahme von Abgas, das durch die Heizeinrichtung 6 für zugeführtes Wasser hindurch gegangen ist, und von Abgas, das durch die Wasserrückgewinnungsvorrichtung 8 hindurch gegangen ist vorgesehen, der unter Nutzung der Abgase einen Wärmeaustausch ausführt.
Das durch den Regenerator 5 (oder durch die Heizeinrichtung 6 für zugeführtes Wasser) hindurch gegangene Abgas wird dem Abgaszwischenerhitzer 9 zugeführt und seine Temperatur durch das Abgas abgesenkt, das durch die Wasserrückgewinnungsvorrichtung 8 hindurch gegangen ist. Das Abgas mit auf diese Weise abgesenkter Temperatur wird der Wasserrückgewinnungsvorrichtung 8 zugeführt. An der Wasserrückgewinnungsvorrichtung 8 wird aus dem vorstehenden Abgas Feuchte zurückgewonnen. Das aus der Wasserrückgewinnungsvorrichtung 8 austretende Abgas wird durch den Abgaszwischenerhitzer 9 für das Erwärmen durch den Wiedererhitzer 9 hindurch geführt und aus einem Abgabeturm (nicht gezeigt) an die Atmosphärenluft abgegeben.
Ein Teil des von der Wasserrückgewinnungsvorrichtung 8 zurückgewonnenen Wassers wird zu dem Befeuchter 7 über die Wasserbehandlungsvorrichtung 10 geführt, während der andere Teil durch den Umwälzwasserkühler 14 gekühlt und der Wasserrückgewinnungsvorrichtung 8 wiederum für die Rückgewinnung zugeführt wird. Das durch den Umwälzwasserkühler 14 abgekühlte Wasser wird teilweise der Sprühvorrichtung 11 zugeführt. Wenn nötig wird alles Wasser vor dem Zuführen gereinigt.
Man möchte, dass die Sprühvorrichtung 11 die Ansaugluft für die Gasturbine kühlt und um dies zu erreichen soll die Temperatur des der Sprühvorrichtung 11 zuzuführenden Wassers niedrig sein. Da andererseits das dem Befeuchter 7 zuzuführende Wasser durch die Wärmerückgewinnung auf eine hohe Temperatur erhitzt wird, bevor es dem Befeuchter 7 zugeführt wird, möchte man, dass die Temperatur des dem Befeuchter 7 zuzuführenden Wassers hoch ist. Aus diesem Grund wird bei dem System der vorliegenden Erfindung ein Teil des aus dem Umwälzwasserkühler 14 austretenden Wassers zur Sprühvorrichtung 11 abgezweigt und das rückgewonnene Wasser, das in der Wasserrückgewinnungsschleife die höchste Temperatur hat, wird dem Befeuchter 7 zugeführt. Da bei dieser Ausgestaltung der Wasserrückgewinnungseffekt groß wird und auch der Ansaugluftkühleffekt groß wird, ist eine Steigerung der Leistungsabgabe des Systems zu erwarten. Es ist auch möglich, die Menge des rückgewonnenen Wassers zu erhöhen und die Menge des zuzuführenden Wassers zu verringern. Da weiterhin die Temperatur des dem Befeuchter 7 zuzuführenden Wassers hoch wird, können der Befeuchter und der Wärmeaustauscher für die Rückgewinnung von Abgas klein gebaut werden, wodurch der Druckverlust verringert und der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung verbessert wird.
Als Folge kann das System mit einem Wirkungsgrad mit hoher Leistungserzeugung und hoher Leistungsabgabe bei stabiler Verbrennung betrieben werden. Ferner ist es möglich, den Wirkungsgrad der Leistungserzeugung bei Teillast zu verbessern.
Das konkrete Beispiel der Wasserrückgewinnungsvorrichtung 8 wird unter Bezug auf 6 beschrieben.
Die latente Kondensationswärme des Wasserdampfes unter der Bedingung von Atmosphärendruck und 40°C beträgt etwa 570 kcal/kg. Im Falle des Kondensierens von 1 kg Wasserdampf durch Aufsprühen von kaltem Wasser (der Temperaturanstieg des kalten Wassers wird zu 10°C angenommen) beträgt, da die spezifische Wärme von Wasser bei etwa 1 kcal/kgK liegt, der erforderliche Durchsatz des versprühten Wassers etwa 57 kg. Der Mengenstrom des versprühten Wassers, der zur Rückgewinnung von Wasser aus dem Abgas erforderlich ist, d.h. für die Kondensation des Wasserdampfs, muss mehrmals das Zehnfache des Mengenstroms des Wasserdampfs betragen, obwohl er von dem Auslegezustand der Wasserrückgewinnungsvorrichtung abhängig ist. Durch Optimieren der Art und Weise der Wasserrückgewinnung ist es möglich, zurückgewonnenes Wasser mit hoher Temperatur von versprühtem Wasser mit niedriger Temperatur zu trennen. 6 zeigt eine Ausgestaltung zum Erhalten von rückgewonnenem Wasser mit hoher Temperatur.
Bei dieser Ausgestaltung werden zwei Wasserarten, d.h. Wasser mit hoher Temperatur und Wasser mit niedriger Temperatur, aus der Wasserrückgewinnungsvorrichtung 8 zurückgewonnen. Das zurückgewonnene Wasser mit hoher Temperatur wird dem Befeuchter 7 zugeführt, während das zurückgewonnene Wasser mit niedriger Temperatur der Sprühvorrichtung 11 zugeführt wird.
Das Verbrennungsabgas, das eine große Menge an Wasserdampf enthält und das durch den Erhitzer 6 für zugeführtes Wasser hindurch gegangen ist, wird von einem Wärmeaustauscher (beispielsweise dem Abgaszwischenerhitzer 9) gekühlt und strömt dann in die Wasserwiedergewinnungsvorrichtung 8. In der Wasserwiedergewinnungsvorrichtung 8 wird das Verbrennungsabgas in direktem Kontakt mit dem Kühlwasser gebracht, das von nassem Wasserdampf abzukühlen ist. Ein Teil des Wasserdampfs wird für die Rückgewinnung kondensiert. Das restliche Abgas wird von dem Wärmeaustauscher erhitzt und in die Atmosphärenluft über einen Kamin abgeführt. Die Wasserrückgewinnungsvorrichtung 8 besteht aus einer Vielzahl von Wasserrückgewinnungseinrichtungen, die hintereinander entgegen dem Gasstrom angeordnet sind. Jede Wasserrückgewinnungseinrichtung hat einen Kühlwasserzerstäubungsteil zum Zerstäuben von Kühlwasser auf das strömende Abgas und einen Rückgewinnungsteil zum Rückgewinnen des zerstäubten Wassers und von kondensiertem Wasser. Die Wasserrückgewinnungseinrichtung ermöglicht es, dem Abgas zwischen dem Kühlwasserzerstäubungsteil und dem Rückgewinnungsteil zu fließen. Wenigstens ein Teil des zurückgewonnenen Wassers wird als Kühlwasser für den Kühlwasserzerstäubungsteil der Wasserrückgewinnungseinrichtung verwendet, die auf der Stromaufseite des Gasstroms angeordnet ist. Die Einzelheiten werden nachstehend beschrieben.
In der Wasserrückgewinnungsvorrichtung 8 geht Kühlwasser durch ein Rohr 41 hindurch und wird von einem Kühlwasserzerstäubungsteil 51a in das Abgas zerstäubt, während zerstäubtes Wasser und kondensiertes Wasser an dem Wasserrückgewinnungsteil 51b zurückgewonnen werden. Das zurückgewonnene Wasser geht durch ein Rohr 43 hindurch und wird in dem Umwälzwasserkühler 14 gekühlt und geht weiterhin durch das Rohr 41, um so als Kühlwasser umgewälzt zu werden. Ein Teil des zurückgewonnen Wassers, das an dem Wasserzurückgewinnungsteil 51b zurückgewonnen worden ist, wird zu einem Kühlwasserzerstäubungsteil 52a der Rohre 44 und 45 geführt. Da das zerstäubte Wasser, das dem Kühlwasserzerstäubungsteil 52a zugeführt wird, latente Kondensationswärme absorbiert, hat es eine höhere Temperatur als das an dem Kühlwasserzerstäubungsteil 51a zerstäubte Wasser. Das zerstäubte Wasser an dem Kühlwasserzerstäubungsteil 52a wird durch einen Wasserrückgewinnungsteil 52b zurückgewonnen, geht durch Rohre 46 und 47 hindurch und wird dann zu einem Kühlwasserzerstäubungsteil 53a geführt. Durch Wiederholen dieses Prozesses ist es möglich, zurückgewonnenes Wasser in einem Rohr 60 am Auslass der Wasserrückgewinnungsvorrichtung zu erhalten, dessen Temperatur höher ist als die des in dem Rohr 42 zurückgewonnenen Wassers. Das zurückgewonnene Wasser in dem Rohr 60, das aus dem Wasserrückgewinnungsteil 59b der Wasserrückgewinnungseinrichtung auf der ganz oben befindlichen Stromseite abgeführt wird, wird über die Wasserbehandlungsvorrichtung 10 wieder verwendet.
Der Abgaszwischenerhitzer 9 wird zum Erhitzen von Abgas nach der Rückgewinnung von Wasser verwendet. Bei dem in 6 gezeigten Beispiel ist der Abgaszwischenerhitzer 9 als Gas-Gas-Wärmeaustauscher ausgestaltet, wobei Abgas vor der Rückgewinnung von Wasser als Wärmequelle verwendet wird. Wenn eine andere Wärmequelle erreichbar ist, kann diese verwendet werden.
Somit ist es möglich, zwei Arten von rückgewonnenem Wasser mit unterschiedlicher Temperatur und auf einfache Weise zurückgewonnenes Wasser mit hoher Temperatur zu erhalten. Dies macht es möglich, die Wärmeenergie das Abgases in einem hohen Energiezustand zurückzugewinnen.
Bei dieser Ausgestaltung ist es nach dem Kühlen durch das Sprühen in direktem Kontakt möglich, rückgewonnenes Wasser mit hoher Temperatur und Sprühumwälzwasser mit niedriger Temperatur zu erhalten.
An der Gasturbine für hohe Feuchte ist in dem Verbrennungsgas Feuchte in einer Menge von 25 bis 30 Volumenprozent enthalten und der Taupunkt des Verbrennungsabgases liegt bei etwa 70°C. Durch Abkühlen von Abgas auf eine Temperatur, die niedriger als der Taupunkt ist, kann Wasser zurückgewonnen werden. Da das Kühlen in direktem Kontakt durch Aufsprühen von kaltem Wasser bei dieser Ausführungsform wie vorstehend beschrieben ausgestaltet ist, ist es möglich, zurückgewonnenes Wasser mit einer hohen Temperatur von etwa 60°C und Umwälzwasser zu erhalten, das eine Temperatur von etwa 30°C hat. Durch Verwendung dieses Wassers mit hoher Temperatur als dem Befeuchter zuzuführendes Wasser ist es möglich, den gleichen Effekt wie bei der in 4 gezeigten dritten Ausführungsform zu erreichen.
Auf diese Weise wird von dem durch die Wasserrückgewinnungsvorrichtung 8 zurückgewonnen Wassers ein Teil des zurückgewonnenen Wassers mit hoher Temperatur dem Befeuchter 7 über die Wasserbehandlungsvorrichtung 10 und die Heizeinrichtung 6 zugeführtes Wasser zugeführt. Dies ermöglicht es, den thermischen Wirkungsgrad der Anlage weiter zu erhöhen. Außerdem wird von dem zurückgewonnenen Wasser, das aus der Wasserrückgewinnungsvorrichtung 8 erhalten wird, ein Teil des zurückgewonnenen Wassers mit niedrigerer Temperatur der Sprühvorrichtung 11 als zu versprühendes Wasser über die Wasserbehandlungsvorrichtung 10 zugeführt. Dies wirkt sich dahingehend aus, dass die Temperatur der Ansaugluft, die in die Ansaugluftkammer 22 strömt, weiter abgekühlt wird.
Eine vierte Ausführungsform wird unter Bezug auf 5 beschrieben.
5 ist eine schematische Ansicht, die eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die in 5 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in 3 gezeigten Ausführungsform dadurch, dass eine Wasserrückgewinnungsvorrichtung mit Direktkontakt zum Sprühen von kaltem Wasser als Wasserrückgewinnungsvorrichtung 8 verwendet wird. Die Wasserzuführungsleitung, durch die Wasser der Sprühvorrichtung 11 zugeführt wird, ist gegenüber der Wasserzuführungsleitung verschieden, durch die Wasser dem Befeuchter 7 zugeführt wird. Die Sprühvorrichtungen sind in einer Vielzahl von Stufen längs des Luftstroms in der Luftansaugkammer 22 so angeordnet, dass die Temperatur des aus einer der auf der Stro mabseite angeordneten Sprühvorrichtung versprühten Wassers höher ist als die Temperatur des Wassers, das aus einer der auf der Stromaufseite angeordneten Sprühvorrichtungen versprüht wird.
Insbesondere ist zusätzlich zu der in 1 gezeigten Ausgestaltung die Wasserrückgewinnungsvorrichtung 8 für die Aufnahme von Verbrennungsabgas, das durch den Regenerator 5 hindurchgegangen ist (oder von Verbrennungsabgas, das durch die Heizeinrichtung 6 für zugeführtes Wasser hindurch gegangen ist, wenn die Heizeinrichtung 6 für zugeführtes Wasser vorgesehen ist) und die Rückgewinnung von Feuchte aus dem Abgas vorgesehen. Zum Reinigen des von der Rückgewinnungsvorrichtung 8 zurückgewonnenen Wassers ist eine Wasserbehandlungsvorrichtung 10 vorgesehen. Für das Kühlwasser, das durch den Wasserrückgewinnungsteil 8 zurückgewonnen wird, ist weiterhin eine Umwälzwasserkühlvorrichtung 14 vorgesehen. Das von der Wasserrückgewinnungsvorrichtung 8 zurückgewonnene Wasser wird der Wasserzuführleitung zugeführt, die mit dem Befeuchter 7 in Verbindung steht. Ein Teil des aus der Wasserrückgewinnungsvorrichtung zurückgewonnenen Wassers wird von einem Mittelpunkt der Wasserzuführleitung, die mit dem Befeuchter 7 in Verbindung steht, abgezweigt und dann als zu versprühendes Wasser einer Sprühvorrichtung 16 zugeführt, die so angeordnet ist, dass sie auf der Einlassseite des Verdichters zu der Sprühvorrichtung 11 in der Luftansaugkammer 22 versetzt ist. Von der Rückgewinnungsvorrichtung 8 zurückgewonnenes Wasser, dessen Temperatur abgesenkt ist, wird der Wasserzuführleitung zugeführt, die mit der Sprühvorrichtung 11 in Verbindung steht.
Wie in 5 gezeigt ist, ist vorzugsweise zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung ein Abgaszwischenerhitzer 9 für die Aufnahme von Abgas, das durch die Heizeinrichtung 6 für zugeführtes Wasser hindurch gegangen ist und von Abgas, das durch die Wasserrückgewinnungsvorrichtung hindurch gegangen ist, vorgesehen, der den Wärmeaustausch unter Verwendung der Abgase ausführt. Die Sprühvorrichtung 16 kann so gestaltet werden, dass sie die gleiche Wirkung ausübt, wie sie mit der Sprühvorrichtung 11 erreicht wird.
Der Sprühvorrichtung 11 wird wie bei der in 4 gezeigten Ausführungsform Wasser mit niedriger Temperatur zugeführt, während Wasser mit hoher Temperatur, die ähnlich zu der des dem Befeuchter 7 zugeführten Wassers ist, der Sprühvorrichtung 16 zugeführt wird.
Bei dieser Ausgestaltung kann das von der Sprühvorrichtung 11 versprühte Wasser einen großen Kühleffekt bei der Ansaugluft haben, der zu dem Steigerungsmechanismus (1) für die Leistungsabgabe, wie sie bei der Ausführung von 1 beschrieben ist, äquivalent ist, während von der Sprühvorrichtung 16 versprühtes Wasser, das in dem Verdichter leicht zu verdampfen ist, große Wirkungen haben kann, die zu den Steigerungsmechanismen (2), (3) und (4) der Leistungsabgabe äquivalent sind, wie sie bei der Ausführungsform in 1 beschrieben sind.
Der Grund, warum das von der Sprühvorrichtung 16 versprühte Wasser in dem Verdichter leicht zu verdampfen ist, darf aufgrund der Tatsache, dass, da die Temperatur des Wassers hoch ist, die für die Verdampfung erforderliche Wärmeenergie gering ist, sowie aufgrund der Tatsache basierend betrachtet werden, dass, da die Oberflächenspannung des Wassers klein wird, wenn die Temperatur des Wassers steigt, das versprühte Wasser einen feinen Sprühnebel bilden kann und die Oberfläche pro Gewichtseinheit eines jeden feinen Wassertröpfchens groß wird, wodurch die Verdampfung des versprühten Wassers begünstigt wird.
Als Folge ist zu sehen, dass von der Gesamtmenge der Wassertröpfchen, die durch die Sprühvorrichtungen 11 und 16 versprüht werden, die Wassermenge, die verdampft, bis die Wassertröpfchen zum Auslass des Verdichters strömen, größer als die wird, die bei der in 4 gezeigten Ausführungsform beschrieben ist. Dies macht es möglich, die Leistungsabgabe und den Wirkungsgrad für die Leistungserzeugung des Systems weiter zu steigern.
Deshalb sind entsprechend dieser Ausgestaltung die Sprühvorrichtungen in mehreren Stufen längs des Luftstroms in der Ansaugluftkammer 22 so angeordnet, dass die Temperatur des von der Sprühvorrichtung 16 versprühten Wassers, die auf der Stromabseite angeordnet ist, höher ist als die Temperatur des Wassers, das von der Sprühvorrichtung 11 versprüht wird, die auf der Stromaufseite angeordnet ist. Als Folge wird die Ansaugluft durch die vordere Sprühvorrichtung 11 gekühlt, und dadurch der Massenstrom der Luft erhöht, während das Wasser, das in dem Verdichter 22 leicht verdampft werden kann, in großem Maße in der Luft enthalten sein kann, die dem Verdichter 22 zugeführt wird, indem Wasser mit hoher Temperatur auf die Luft durch die hintere Sprühvorrichtung 16 versprüht wird, die nahe dem Einlass des Verdichters 22 angeordnet ist.
Da bei dieser Ausgestaltung das Verhältnis aus der Wassermenge, die der Ansaugluft durch die Sprühvorrichtungen 11 und 16 zugeführt wird, und aus der Wassermenge, die der verdichteten Luft durch den Befeuchter zugeführt wird, groß wird, ist es möglich, eine stabile Verbrennung zu erhalten, während Leistungsabgabe und der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung weiter gesteigert werden.
Zusätzlich ist die Sprühvorrichtung 11 in der Nähe der die Ansaugluft filternden Kammer der Ansaugluftkammer 22 angeordnet. Wenn beispielsweise ein Schalldämpfer in der Luftansaugkammer 22 angeordnet ist, ist die Sprühvorrichtung 11 direkt angrenzend nach dem Schalldämpfer angeordnet. Die Sprühvorrichtung 11 kann direkt nach dem Filter in der Ansaugluftfiltrierkammer 21 angeordnet werden. Die Sprühvorrichtung 16 ist vorzugsweise in der Nähe des Einlasses des Verdichters in der Luftansaugkammer 22 angeordnet, beispielsweise nahe an der Grenze zwischen der Luftansaugkammer 22 und dem Einlass des Verdichters 2 der Luftansaugkammer 22. Da bei dieser Anordnung eine Entfernung von einem Punkt, an dem Wassertröpfchen durch die Sprühvorrichtung 11 versprüht werden, zu einem Punkt, an dem sie in den Verdichter strömen, groß wird, ist es möglich, den Ansaugluftkühleffekt zu steigern und somit die Leistungsabgabe des Systems zu erhöhen.
Unter Bezug auf 1 und 3 wird eine sechste Ausführungsform beschrieben.
Jede der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen kann als den Wirkungsgrad steigernde Vorrichtung betrachtet werden, die in der bestehenden Gasturbinenanlage vorgesehen wird, um den Wirkungsgrad der Leistungserzeugung zu verbessern. Auch in diesem Fall ist es möglich, die Leistungsabgabe und den Wirkungsgrad der Leistungserzeugung der vorhandenen Gasturbinenanlage zu verbessern, während die Stabilität der Brennkammer gewährleistet wird, indem die den Wirkungsgrad steigernde Vorrichtung vorgesehen wird. Beispielsweise hat die bestehende Gasturbinenanlage zur Leistungserzeugung in 1 insgesamt die Ansaugluftkammer 22 zum Ansaugen von Luft 20, den Verdichter 2 zum Verdichten der hinzugeführten Luft und zum Fördern der verdichteten Luft, die Brennkammer 4 zum Verbrennen von Brennstoff zusammen mit der von dem Verdichter 2 geförderten Luft, die Gasturbine 1, die von Verbrennungsgas angetrieben wird, das in der Brennkammer 4 erzeugt wird, sowie den Stromgenerator 3, der von der Gasturbine angetrieben wird. In der vorstehenden bereits vorhandenen Gasturbinenanlage zur Leistungserzeugung ist eine den Wirkungsgrad steigernde Vorrichtung vorgesehen, zu der eine Sprühvorrichtung 11, ein Befeuchter (Vorrichtung zur Zugabe von Feuchte) 7 und ein Regenerator 5 gehören. Die Sprühvorrichtung 11, die in der Luftansaugkammer 22 vorgesehen ist, die auf der Stromaufseite des Verdichters angeordnet ist, wird dazu verwendet, Wassertröpfchen in die dem Verdichter 2 zuzuführende Luft zu sprühen, wobei ein Teil der versprühten Wassertröpfchen verdampft, bis die Wassertröpfchen in den Verdichter 2 eingeführt werden, und die nicht verdichteten Wassertröpfchen, die in den Verdichter 2 zusammen mit der Luft eingeführt werden, in einem Zeitraum verdampfen, in welchem die Wassertröpfchen durch den Verdichter 2 zusammen mit der Luft strömen. Der Befeuchter 7 wird dazu verwendet, der verdichteten Luft Wasser zuzugeben, die Feuchte enthält, die in der Form von Wassertröpfchen durch die Sprühvorrichtung 11 zugegeben wurden, die aus dem Verdichter 2 abgeführt wird. Der Regenerator 5 wird zur Aufnahme der verdichteten Luft verwendet, die Feuchte enthält, die von dem Befeuchter 7 zugegeben wurde, um die verdichtete Luft unter Verwendung von Gasturbinenabgas als Wärmequelle zu erhitzen.
Ferner wird eine Wasserzuführvorrichtung 15 zum Zuführen von Wasser zu der Sprühvorrichtung 11 und dem Befeuchter 7 vorgesehen.
Erforderlichenfalls wird ein Nachkühler 13 zum Kühlen der verdichteten Luft vorgesehen, die dem Befeuchter 7 zugeführt wird, indem dem Befeuchter 7 zuzuführendes Wasser als Kältequelle verwendet wird. Ferner wird eine Heizeinrichtung 6 für zugeführtes Wasser zum Erwärmen des dem Befeuchter 7 zuzuführenden Wassers unter Verwendung von Abgas als Wärmequelle vorgesehen, das durch den Regenerator hindurch gegangen ist.
Mit dieser Ausgestaltung ist es möglich, eine Gasturbinenanlage mit hoher Feuchte zu verwirklichen, die in der Lage ist, die Verbrennungsstabilität zu steigern, während die gewünschte Leistungsabgabe und der Wirkungsgrad der Leistungserzeugung gewährleistet sind. Eine solche Gasturbinenanlage hat die gleiche Wirkung wie sie bei der in 1 gezeigten Ausführungsform erhalten wird.
Zusammen mit oder anstelle der vorstehenden Wasserzuführvorrichtung 15 kann eine Wasserzuführleitung vorgesehen werden, durch die aus dem Verbrennungsabgas gewonnenes Wasser, das durch den Regenerator hindurchgegangen ist, wenigstens dem Befeuchter aus der Gruppe der Sprühvorrichtung und Befeuchter zugeführt wird.
Bei dieser Ausgestaltung ist es möglich, die gleiche Wirkung zu erhalten, wie sie mit der in 3 gezeigten Ausführungsform erreicht wird.

Claims

Gasturbinenanlage – mit einer Verdichtereinrichtung (2) für Luft, – mit einer Brennkammer (4) zum Verbrennen von Brennstoff zusammen mit der von dem Verdichter (2) geförderten Luft, – mit einer Turbine (1), die von dem Verbrennungsgas angetrieben wird, das durch die Brennkammer (4) erzeugt wird, – mit einer Wasserzugabevorrichtung (7), die auf dem Weg vorgesehen ist, auf dem die von dem Verdichter (2) geförderte verdichtete Luft zu der Brennkammer (4) geführt wird, um der auf diesem Weg strömenden verdichteten Luft Wasser zuzugeben, und – mit einem Wärmeaustauscher (5), der auf dem Weg auf der Stromabseite der Wasserzugabevorrichtung (7) vorgesehen ist, um die die Wasserzugabevorrichtung (7) passierende verdichtete Luft durch Abgas zu erhitzen, das aus der Gasturbine (1) abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, – dass die Verdichtereinrichtung für Luft von einem einzigen nicht zwischengekühlten Verdichter (2) für Luft gebildet wird, und – dass eine Sprühvorrichtung (11) auf der Stromaufseite des Verdichters (2) vorgesehen ist, um der dem Verdichter (2) zuzuführenden Luft Wassertröpfchen zuzusprühen, – wobei die Sprühvorrichtung zum Zusprühen von Wassertröpfchen zu der dem Verdichter (2) zuzuführenden Luft so gesteuert ist, dass ein Teil der zugesprühten Wassertröpfchen verdampft wird, bevor er in den Verdichter (2) geführt wird, während der restliche Teil der nicht verdampften Wassertröpfchen zusammen mit der Luft in den Verdichter (2) geführt und während des Durchstroms durch den Verdichter (2) verdampft wird.
Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, welche weiterhin – eine Wasserückgewinnungsvorrichtung (8) zur Rückgewinnung von Feuchte aus dem Abgas, das durch den Wärmeaustauscher (5) hindurchgegangen ist, und – einen Weg zum Zuführen des Wassers, das aus dem Abgas durch die Wasserrückgewinnungsvorrichtung (8) zurückgewonnen worden ist, zu der Sprühvorrichtung (11) und der Wasserzugabevorrichtung (7) oder zu wenigstens einer von ihnen aufweist.
Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 – mit einer Wasserrückgewinnungsvorrichtung (8) zum Rückgewinnen von Feuchte aus Abgas, das durch den Wärmeaustauscher (5) hindurchgegangen ist, – mit einem Zugabewasser-Zuführweg zum Zuführen des von der Wasserrückgewinnungsvorrichtung (8) zurückgewonnenen Wassers zu der Wasserzugabevorrichtung (7) und – mit einem Sprühwasser-Zuführweg, auf dem Sprühwasser von einer externen Quelle (15) außerhalb des Systems in die Sprühvorrichtung (11) geführt wird.
Gasturbinenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Sprühvorrichtung Zerstäuber (11, 16) aufweist, die in einer Vielzahl von Stufen längs des Luftstroms so angeordnet sind, dass die Temperatur des Wassers, das von einem der auf der Stromabseite positionierten Zerstäuber (11, 16) versprüht wird, höher ist als die Temperatur des Wassers, das von einem der auf der Stromaufseite positionierten Zerstäuber (11, 16) versprüht wird.
Gasturbinenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche weiterhin eine Steuereinheit (18) für ein solches Steuern der der Luft zugegebenen Wassermenge aufweist, dass die von der Sprühvorrichtung (11) der Luft zugesprühte Wassermenge in einem Bereich von 1/50 bis 1/5 der Wassermenge liegt, die der verdichteten Luft durch die Wasserzugabevorrichtung (7) zugegeben wird.
Gasturbinenanlage nach Anspruch 5, bei welcher das Verhältnis aus der Menge des zu der Wasserzugabevorrichtung (7) hin und von ihr weg umgewälzten Wassers aus der Wassermenge, die der verdichteten Luft durch die Wasserzugabevorrichtung (7) zugegeben wird, so gesteuert wird, dass es in einem Bereich von 70% bis 95% liegt.
Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, bei welcher das Verhältnis aus der Menge des der Luft durch die Sprühvorrichtung (11) zugesprühten Wassers und aus dem Gewichtsdurchsatz der Luft so gesteuert wird, dass es im Bereich von 0,2% bis 5,0% liegt, während das Verhältnis der Menge des Wassers, das der verdichteten Luft durch die Wasserzugabevorrichtung (7) zugegeben wird, und aus dem Gewichtsdurchsatz der verdichteten Luft, die aus dem Verdichter (2) abgeführt wird, so gesteuert wird, dass sie im Bereich von 30% oder weniger liegt.
Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, welche weiterhin eine Steuereinheit (18) aufweist, die so ausgelegt ist, dass sie bei einer Abnahme der Last die der verdichteten Luft durch die Wasserzugabevorrichtung (7) zuzugebende Wassermenge und dann die der Luft von der Sprühvorrichtung (11) zuzusprühende Wassermenge verringert.
Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, welche weiterhin eine Steuereinheit (18) aufweist, die so ausgelegt ist, dass sie bei Zunahme der Last die Menge der von der Sprühvorrichtung (11) der verdichteten Luft zuzusprühende Wassermenge und dann die der verdichteten Luft durch die Wasserzugabevorrichtung (7) zuzugebende Wassermenge erhöht.
Gasturbinenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche weiterhin eine Steuereinheit für ein solches Steuern der Temperatur des Wassers aufweist, dass die Temperatur des der Wasserzugabevorrichtung (7) zugeführten Wassers höher ist als die Temperatur des der Sprühvorrichtung (11) zugeführten Wassers.
Gasturbinenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche weiterhin eine Kühlvorrichtung (13) zum Kühlen der auf der Stromaufseite der Wasserzugabevorrichtung (7) strömenden verdichteten Luft durch Wärmeaustausch mit dem Wasser aufweist, das der Wasserzugabevorrichtung (7) zugeführt wird.
Gasturbinenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche weiterhin eine Heizeinrichtung (6) für zugeführtes Wasser zum Erhitzen des der Wasserzugabevorrichtung (7) zuzuführenden Wassers durch Verwendung von durch den Wärmeaustauscher (5) hindurchgegangenem Verbrennungsabgas als Wärmequelle aufweist.