EP1245795A2 - Verfahren zur Verhinderung von Ablagerungen in Dampfsystem - Google Patents

Verfahren zur Verhinderung von Ablagerungen in Dampfsystem Download PDF

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EP1245795A2
EP1245795A2 EP02405180A EP02405180A EP1245795A2 EP 1245795 A2 EP1245795 A2 EP 1245795A2 EP 02405180 A EP02405180 A EP 02405180A EP 02405180 A EP02405180 A EP 02405180A EP 1245795 A2 EP1245795 A2 EP 1245795A2
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EP
European Patent Office
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steam
pressure
temperature
solubility
systems
Prior art date
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Withdrawn
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EP02405180A
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French (fr)
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EP1245795A3 (de
Inventor
Erhard Dr. Liebig
Robert Dr. Svoboda
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General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
Alstom Schweiz AG
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Publication date
Application filed by Alstom Technology AG, Alstom Schweiz AG filed Critical Alstom Technology AG
Publication of EP1245795A2 publication Critical patent/EP1245795A2/de
Publication of EP1245795A3 publication Critical patent/EP1245795A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K21/00—Steam engine plants not otherwise provided for
    • F01K21/06—Treating live steam, other than thermodynamically, e.g. for fighting deposits in engine

Definitions

  • the present invention relates to a method for preventing the deposition of contaminants in steam systems in which the steam flowing therein has the given steam quality Is subject to temperature and / or pressure changes.
  • the invention also relates to a steam system to carry out the process.
  • steam is increasingly being used for efficiency reasons use as a coolant.
  • This steam can be used as a steam but also as a steam-air mixture, the components to be cooled in an open, semi-open or closed system flow through.
  • the steam is supplied by a steam supply device (Waste heat boiler, steam turbine system, auxiliary steam generator, ...) to the device for Use of steam, for example, led to a gas turbine system to its components To cool warming.
  • the cooling steam arrives after flowing through the cooling system for example gas turbine system in the working fluid of the gas turbine system and with it ultimately into the atmosphere.
  • the steam is supplied by a steam supply device (Waste heat boiler, steam turbine system, auxiliary steam generator, ...) to the device for Use of steam, for example, led to a gas turbine system to its components To cool warming.
  • the cooling steam is after flowing through the cooling system Gas turbine system of a device for steam extraction (waste heat boiler, steam turbine system, technological process, ).
  • the device for providing steam (steam cooler, Steam blower, steam filter, ...) identical to the device for steam extraction.
  • the device for using steam is in in our case the gas turbine plant, steam with the appropriate parameters available posed.
  • the Steam After flowing through the cooling system of the gas turbine system, the Steam is returned to the steam supply device for maintenance purposes of the circuit necessary pressure increase, cooling, cleaning u.
  • the steam is returned to the steam supply device for maintenance purposes of the circuit necessary pressure increase, cooling, cleaning u.
  • steam is used as an additional Work equipment to increase the mass flow of the work equipment in the gas turbine plant injected.
  • This can in turn take the form of direct injection of steam into the Work equipment or indirectly after the flow through gas turbine components to be cooled respectively.
  • the steam can also be in the form of a steam-air mixture, i.e. H. in combination with cooling air via an open air cooling system, again indirectly, d. H. after the flow of gas turbine components to be cooled, into which working fluid is injected.
  • the steam injection method is used. H. the steam introduction into the work equipment the gas turbine system also in the Cheng Cycle.
  • the Cheng Cycle is used to avoid a steam turbine system and the one required to operate the steam turbine system Systems of steam generated in the waste heat boiler completely into the gas turbine plant injected.
  • Impurities in the steam are characterized by a certain solubility in steam.
  • silicon dioxide SiO 2
  • SiO 2 is of particular importance because of the problems with the cleaning of make-up water and condensate as well as the difficulties in measuring. Representing the large number of possible contaminants, SiO 2 is therefore used as an example below.
  • the invention is therefore based on the object of a method for preventing deposition of contaminants in steam systems, in which the Disadvantages of the prior art can be avoided.
  • the solution to the above object according to the invention is, in such steam systems, in which the steam of given steam quality flows in temperature and / or Is subject to pressure changes through a corresponding constructive design and design of steam systems to prevent changes in the Temperature and / or pressure conditions within the steam system the steam solubility of the impurities present in the steam in certain concentrations becomes.
  • a first embodiment of the method according to the invention is characterized in that the impurities are silicon dioxide (SiO 2 ).
  • the method involves steam cooling or a steam injection of a gas turbine system is used. These are two special ones significant applications of steam in gas turbine plants.
  • An additional measure to prevent deposits can also be provided the temperature and / or pressure of the steam flowing in the steam system be set so that in the steam system the steam solubility in a particular The concentration of impurities present in the steam is not exceeded.
  • the parameters of temperature and / or pressure in steam systems flowing steam sufficiently large to be able to select or optimize at least one of these parameters to further reduce the risk of deposits.
  • the method can be designed particularly advantageously by using both values are monitored at the same time, and the value pair of pressure and temperature of the steam in the Steam system never takes on a critical value, and that particularly critical areas the steam system with significant pressure drops can be avoided. In particular, can this also happens by a drop in pressure such that the Vapor solubility of the impurities present in the vapor in certain concentrations would be compensated for by a corresponding rise in temperature becomes.
  • Another embodiment of the invention is characterized in that the only one critical pressure drop in the steam system to the point where the steam exits the device is placed for steam use. So at most in the easy-to-clean exit region Deposits are made. The flow velocities are also at the exit point the steam high, a self-cleaning effect can occur.
  • the invention also includes a steam system for performing one of those described above Method.
  • FIG. 1 shows an example of all impurities, a diagram for the solubility of SiO 2 in water or steam as a function of temperature at pressures of 1 bar, 6 bar, 19 bar and 50 bar. It can be seen that SiO 2 is soluble in steam at a pressure of 6 bar and a temperature of 400 ° C up to a concentration of approx. 1 mg / kg (1000 ppb).
  • Rule in steam systems of gas turbine plants typically temperatures in the range of 250 to 580 ° C and pressures in the range from 20 to 40 bar.
  • a gas turbine system is subsequently a system consisting of at least understood a compressor, at least one combustion chamber and at least one gas turbine. Air is drawn in and compressed by the compressor, then as combustion air fed to a combustion chamber, and the hot gas produced there in a work-performing manner Gas turbine relaxes.
  • the at least one gas turbine and the at least one compressor are on a wave.
  • Waste heat boilers have up to three Pressure levels and possibly overheating. So there are many of ways to influence the parameters of a corresponding steam system.
  • the steam serves to cool components, as shown in the example of the gas turbine system, the steam is heated up by the absorption of heat. Is constructive now Make sure that before and / or in areas with a significant drop in pressure there is an appropriate one The cooling steam is heated.
  • FIG. 2 shows an hs diagram with lines of constant SiO 2 solubility in steam. Again one sees the decreasing vapor solubility as the pressure and temperature decrease. Interestingly, the lines of constant SiO 2 vapor solubility correspond approximately to the bisector between the lines of constant pressure and the lines of constant temperature. The limit value (GW) for steam turbines is also shown.
  • FIG. 3 shows the state changes of the steam within a steam system, in the present case a semi-open steam cooling system of a gas turbine system, in the form of an hs diagram (x-axis: entropy, y-axis: enthalpy).
  • the cooling steam has a pressure of 30 bar and a temperature of 360 ° C at point E (exit from the device for providing steam).
  • the gas turbine system or the component to be cooled for example a blade, pressure losses of approximately 8 bar and temperature losses of approximately 5 K occur.
  • the steam therefore has a pressure of approx. 22 bar and a temperature of 355 ° C at point F (entry into the device for steam use).

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Verhinderung der Ablagerung von Verunreinigungen in Dampfsystemen, in welchen der darin strömende Dampf gegebener Dampfqualität Temperaturund/oder Druckänderungen unterworfen ist, wird eine einfache Verhinderung von Ablagerungen dadurch erreicht, dass durch entsprechende konstruktive Gestaltung und Auslegung der Dampfsysteme verhindert wird, dass infolge von Änderungen der Temperatur- und/oder Druckverhältnisse innerhalb des Dampfsystems die Dampflöslichkeit der in bestimmten Konzentrationen im Dampf vorhandenen Verunreinigungen überschritten wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verhinderung der Ablagerung von Verunreinigungen in Dampfsystemen, in welchen der darin strömende Dampf gegebener Dampfqualität Temperatur- und/oder Druckänderungen unterworfen ist. Ausserdem betrifft die Erfindung ein Dampfsystem zur Durchführung des Verfahrens.
STAND DER TECHNIK
Zur Kühlung thermisch hoch belasteter Bauteile von Energiemaschinen beispielsweise einer Gasturbinenanlage, beabsichtigt man aus Effizienzgründen in zunehmendem Masse Dampf als Kühlmittel einzusetzen. Dieser Dampf kann als Dampf aber auch als Dampf-Luft-Gemisch, die zu kühlenden Bauteile in einem offenen, halboffenen oder geschlossenen System durchströmen.
In einem offenen Dampfsystem wird der Dampf von einer Vorrichtung zur Dampfbereitstellung (Abhitzekessel, Dampfturbinenanlage, Hilfsdampferzeuger, ...) zur Vorrichtung zur Dampfverwendung beispielsweise einer Gasturbinenanlage geführt, um deren Bauteile unter Erwärmung zu kühlen. Der Kühldampf gelangt nach dem Durchströmen des Kühlsystems der beispielsweisen Gasturbinenanlage in das Arbeitsmittel der Gasturbinenanlage und mit diesem letztlich in die Atmosphäre.
In einem halboffenen Dampfsystem wird der Dampf von einer Vorrichtung zur Dampfbereitstellung (Abhitzekessel, Dampfturbinenanlage, Hilfsdampferzeuger, ...) zur Vorrichtung zur Dampfverwendung beispielsweise einer Gasturbinenanlage geführt, um deren Bauteile unter Erwärmung zu kühlen. Der Kühldampf wird nach dem Durchströmen des Kühlsystems der Gasturbinenanlage einer Vorrichtung zur Dampfabnahme (Abhitzekessel, Dampfturbinenanlage, technologischer Prozess,...) zugeführt.
In einem geschlossenen Dampfsystem ist die Vorrichtung zur Dampfbereitstellung (Dampfkühler, Dampfgebläse, Dampffilter, ...) mit der Vorrichtung zur Dampfabnahme identisch. Durch die Vorrichtung zur Dampfbereitstellung wird der Vorrichtung zur Dampfverwendung, in unserem Fall der Gasturbinenanlage, Dampf mit den entsprechenden Parametern zur Verfügung gestellt. Nach dem Durchströmen des Kühlsystems der Gasturbinenanlage wird der Dampf zur Vorrichtung zur Dampfbereitstellung zurückgeführt, um die zur Aufrechterhaltung des Kreislaufes notwendige Druckerhöhung, Kühlung, Reinigung u. dgl. vorzunehmen.
Bei der Dampfeinspritzung (steam injection) zur Leistungssteigerung wird Dampf als zusätzliches Arbeitsmittel zur Erhöhung des Massenstromes des Arbeitsmittels in die Gasturbinenanlage eingespritzt. Dies kann wiederum in Form der direkten Einspritzung von Dampf in das Arbeitsmittel oder indirekt nach der Durchströmung von zu kühlenden Gasturbinenbauteilen erfolgen. Der Dampf kann aber auch in Form eines Dampf-Luft-Gemisches, d. h. in Kombination mit Kühlluft über ein offenes Luftkühlsystem wiederum indirekt, d. h. nach der Durchströmung von zu kühlenden Gasturbinenbauteilen, in das Arbeitsmittel eingespritzt werden.
Man verwendet das Verfahren der Dampfeinspritzung, d. h. der Dampfeinführung, in das Arbeitsmittel der Gasturbinenanlage auch beim Cheng-Cycle. Beim Cheng-Cycle wird zur Vermeidung einer Dampfturbinenanlage sowie der zum Betrieb der Dampfturbinenanlage erforderlichen Systeme der im Abhitzekessel erzeugte Dampf vollständig in die Gasturbinenanlage eingespritzt.
Verunreinigungen im Dampf zeichnen sich durch eine gewisse Dampflöslichkeit aus. In Bezug auf mögliche Ablagerungen ist dabei Siliziumdioxid (SiO2) wegen der Probleme bei der Reinigung von Zusatzwasser und Kondensat sowie der Schwierigkeiten bei der messtechnischen Erfassung von besonderer Bedeutung. Stellvertretend für die Vielzahl möglicher Verunreinigungen wird daher im folgenden SiO2 beispielhaft herangezogen.
Die hochpräzisen Bauteile einer Gasturbinenanlage, die kleinen Abmessungen der Kühlkanäle, die hohen Anforderungen an die Strömungsbedingungen und dergleichen resultieren in der Notwendigkeit, eine hohe Dampfqualität zu garantieren. Ohne diese Reinheit kommt es zu Ablagerungen innerhalb der Dampfsysteme, die Leistungsfähigkeit der Anlagen wird herabgesetzt und Revisionen mit entsprechenden Standzeiten der Anlagen werden erforderlich. Dies ist insbesondere für die offenen und halboffenen Dampfsysteme von Bedeutung, weil bei diesen Systemen der Kühldampf ständig aufs neue bereitgestellt werden muss, und somit immer neue Verunreinigungen ins System gelangen können.
Daraus ergeben sich nicht zuletzt für die zum Einsatz gelangende Dampferzeugertechnologie zahlreiche Zwänge, beispielsweise hinsichtlich der Komponentenauslegung (Dampftrocknung in Trommeln und Separatoren), der Dampftemperaturregelung durch Wassereinspritzung oder Dampfmischung, der chemischen Fahrweisen usw.
Man versucht derzeit, durch entsprechende Konzepte der Dampfbereitstellung und der Dampfreinigung eine mit grosser Zuverlässigkeit Ablagerungen vermeidende Dampfqualität sicherzustellen. So sind zahlreiche Verfahren der Dampfmischung bekannt, um die Dampftemperatur ohne Wassereinspritzung regeln zu können. Ferner werden spezielle Dampffilter, insbesondere für geschlossene Dampfsysteme, empfohlen.
Alle diese Ansätze beruhen darauf, für derartige Dampfanwendungen mit nachteilig hohem technischen und damit auch finanziellem Aufwand die Erzeugung sehr reinen Wassers zu garantieren, durch Kondensatreinigungsanlagen dieses Wasser qualitativ weiter zu verbessern, eine Verunreinigung des Dampfes durch entsprechende Verfahren der Dampferzeugung und Dampfparameterregelung zu vermeiden, den Dampf durch geeignete Filter von Verunreinigungen zu befreien sowie in den betreffenden Systemen chemischen Wechselwirkungen z. B. Korrosion durch geeignete Materialwahl vorzubeugen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verhinderung der Ablagerung von Verunreinigungen in Dampfsystemen zur Verfügung zu stellen, bei welchem die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden.
Die erfindungsgemässe Lösung der obigen Aufgabe besteht darin, bei derartigen Dampfsystemen, in welchen der darin strömende Dampf gegebener Dampfqualität Temperaturund/oder Druckänderungen unterworfen ist, durch eine entsprechende konstruktive Gestaltung und Auslegung der Dampfsysteme zu verhindern, dass infolge von Änderungen der Temperatur- und/oder Druckverhältnisse innerhalb des Dampfsystems die Dampflöslichkeit der in bestimmten Konzentrationen im Dampf vorhandenen Verunreinigungen überschritten wird.
Der Kern der Erfindung besteht somit darin, nicht wie bisher nach dem Stand der Technik die Qualität d. h. die Reinheit des Dampfes auf einen bestimmten, sehr niedrigen und Ablagerungen mit einer hohen Wahrscheinlichkeit verhindernden Wert zu bringen, sondern vielmehr unter den in der Praxis gegebenen Bedingungen für die Dampfqualität sowie entsprechend dem Löslichkeitsverhalten der Verunreinigungen zu verhindern, dass eine Abscheidung der Verunreinigungen im Dampfsystem überhaupt auftreten kann. Überraschenderweise zeigt es sich nämlich, dass die totale "Vorreinigung" des Wassers bzw. des Dampfes eigentlich gar nicht nötig ist, sondern dass es ausreichend ist, ein Erreichen von kritischen Parametern im Dampfsystem zu vermeiden, das heisst, eine Abscheidung von Verunreinigungen nach sich ziehende Parameter des Dampfes zu vermeiden.
Dies geschieht dadurch, dass die Parameter Temperatur und Druck durch eine geeignete Wahl der Auslegungsparameter und/oder durch eine entsprechende Führung des Dampfes im System, respektive durch gegebenenfalls eine entsprechende Sicherstellung der Temperatur, nie Werte annehmen, welche eine Abscheidung von Verunreinigungen ermöglichen. Mit anderen Worten geht es darum, ein übermässiges Absinken von Temperatur und/oder Druck auf einen kritisch tiefen Wert zu verhindern. Dies kann auf verschiedenste Weise geschehen, sei es dadurch, dass ein kritisches Absinken der Temperatur durch eine Erhöhung des Dampfmassenstromes, und/oder eine Verringerung von kühlenden externen Einflüssen verhindert wird, und/oder aber auch, indem der Dampf, insbesondere in kritischen Bereichen des Dampfsystems, eine entsprechende Temperaturerhöhung erfährt. In Bezug auf den Druck kann eine Beeinflussung dadurch erfolgen, dass die Strömungsverhältnisse durch die Art und Gestaltung der Dampfführung im Dampfsystem derart ausgebildet werden, dass Druckverluste, insbesondere in kritischen Bereichen, vermieden werden.
Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass es sich bei den Verunreinigungen um Siliziumdioxid (SiO2) handelt.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das Verfahren bei einer Dampfkühlung oder einer Dampfeinspritzung einer Gasturbinenanlage angewendet. Dies sind zwei besonders bedeutende Anwendungen von Dampf bei Gasturbinenanlagen.
Als zusätzliche Massnahme zur Verhinderung von Ablagerungen kann ausserdem vorgesehen werden, dass Temperatur und/oder Druck des in dem Dampfsystem strömenden Dampfes derart eingestellt werden, dass im Dampfsystem die Dampflöslichkeit der in einer bestimmten Konzentration im Dampf vorhandenen Verunreinigungen nicht überschritten wird. Meist ist der Spielraum für die Parameter Temperatur und/oder Druck des in Dampfsystemen strömenden Dampfes ausreichend gross, um durch eine gezielte Wahl bzw. Optimierung von wenigstens einem dieser Parameter die Gefahr von Ablagerungen noch weiter zu vermindern.
Ganz besonders vorteilhaft kann das Verfahren dadurch gestaltet werden, indem beide Werte gleichzeitig überwacht werden, und das Wertepaar Druck und Temperatur des Dampfes im Dampfsystem nie einen kritischen Wert annimmt, und dass insbesondere kritische Bereiche des Dampfsystems mit signifikanten Druckabfällen vermieden werden. Insbesondere kann dies auch dadurch geschehen, dass ein Absinken des Druckes derart, dass die Dampflöslichkeit der in bestimmten Konzentrationen im Dampf vorhandenen Verunreinigungen überschritten würde, durch einen entsprechenden Anstieg der Temperatur kompensiert wird.
Bei Dampf-Luft-Gemischen ist zu beachten, dass für den Dampfdruck nunmehr der Partialdruck des Dampfes im Gemisch als Druckgrösse anzusetzen ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der einzige kritische Druckabfall im Dampfsystem an die Austrittsstelle des Dampfes aus der Vorrichtung zur Dampfverwendung gelegt wird. So werden höchstens in der leicht zu reinigenden Austrittsregion Ablagerungen erfolgen. Sind ausserdem an der Austrittstelle die Strömungsgeschwindigkeiten des Dampfes hoch, so kann sich ein selbstreinigender Effekt einstellen.
Die Erfindung umfasst ausserdem ein Dampfsystem zur Durchführung eines der oben beschriebenen Verfahren.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1
ein schematisches Löslichkeitsdiagramm für SiO2 in Wasser und Dampf,
Fig. 2
ein schematisches h-s-Diagramm mit Linien konstanter Dampflöslichkeit von SiO2 und
Fig. 3
ein schematisches h-s-Diagramm nach Figur 2 mit dem Parameterverlauf in einem halboffenen Dampfsystem.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die Dampflöslichkeit von Verunreinigungen ist im wesentlichen von den Parametern Druck und Temperatur abhängig. Mit steigender Temperatur und steigendem Druck steigt im allgemeinen deren Dampflöslichkeit und umgekehrt, wobei der Druckeinfluss dominant ist. Figur 1 zeigt beispielhaft für alle Verunreinigungen ein Diagramm für die Löslichkeit von SiO2 in Wasser bzw. Dampf in Abhängigkeit von der Temperatur bei Drücken von 1 bar, 6 bar, 19 bar und 50 bar. Es zeigt sich, dass für einen Druck von 6 bar und eine Temperatur von 400 °C SiO2 bis zu einer Konzentration von ca. 1 mg/kg (1000 ppb) in Dampf löslich ist.
Trotz dieses an sich bekannten Verhaltens wurde für die Verhinderung von Ablagerungen in Dampfsystemen bisher immer der Schluss gezogen, dass nur durch die Sicherstellung der dem ungünstigsten Fall entsprechenden Bedingungen und damit durch die niedrigste Konzentration an SiO2 oder einer anderen Verunreinigung, eine Ablagerung derselben wirksam verhindert werden kann. So werden zur Vermeidung von SiO2-Ablagerungen in Dampfsystemen Konzentrationen von weniger als 0.02 mg/kg (SiO2 < 20 ppb) als Richtwerte vorgegeben.
Da die Bereitstellung von derart reinem Dampf, insbesondere bei offenen und halboffenen Dampfsystemen, teuer ist, stützt sich der erfindungsgemässe Ansatz darauf, im System kritische Werte von Druck und Temperatur zu vermeiden, bei welchen es zu Ablagerungen von Verunreinigungen kommen könnte.
In Dampfsystemen von Gasturbinenanlagen (Dampfkühlung, Dampfeinspritzung etc.) herrschen typischerweise Temperaturen im Bereich von 250 bis 580 °C und Drücke im Bereich von 20 bis 40 bar.
Unter einer Gasturbinenanlage wird nachfolgend eine Anlage bestehend aus mindestens einem Verdichter, mindestens einer Brennkammer und mindestens einer Gasturbine verstanden. Durch den Verdichter wird Luft angesaugt und verdichtet, dann als Verbrennungsluft einer Brennkammer zugeführt, und das dort entstehende Heissgas arbeitsleistend in einer Gasturbine entspannt. Die mindestens eine Gasturbine und der mindestens eine Verdichter befinden sich auf einer Welle.
Durch die Vielzahl der sich aus der Kombination der Dampfsysteme, der Aufgabe des Dampfsystems, der mit Dampf durchströmten Bauteile u. dgl. bei einer Gasturbinenanlage ergebenden Möglichkeiten, kann es sich bei der Vorrichtung zur Dampfverwendung bei einer Gasturbinenanlage um die Gesamtanlage aber auch beispielsweise nur um ein Bauteil des Gehäuses oder eine Schaufelreihe handeln.
Das Problem der Verhinderung von Ablagerungen ist aber nicht nur für Dampfsysteme interessant, bei welchen sich der Dampf erwärmt, wie beispielhaft am Dampfkühlsystem von Gasturbinenanlagen erläutert, sondern auch beim Einsatz von Dampf zu Heizzwecken, bei welchen der Dampf eine Temperaturabsenkung erfährt. Unter dem Begriff des Dampfsystems werden daher allgemein Dampfkühlsysteme aber auch Dampfheizsysteme verstanden.
In der Figur 1 sind nun weiterhin verschiedene Parameteränderungen mit den resultierenden Wirkungen auf die Dampflöslichkeit wiederum am Beispiel von Siliziumdioxid (SiO2) dargestellt.
Zunächst ist mit dem Pfeil I ein isobarer Übergang aus einem Zustand A mit p = 6 bar und T = 400 °C in einen Zustand B mit p = 6 bar und T = 300 °C dargestellt. Man erkennt leicht, dass eine derartige Druckreduzierung bereits dazu führen kann, dass SiO2 abgeschieden wird. Betrug die maximal im Dampf lösliche SiO2-Konzentration im Punkt A 1.0 mg/kg (1000 ppb), so ging diese auf einen Wert von 0.14 mg/kg (140 ppb) im Punkt B zurück.
Mit dem Pfeil II ist ein isothermer Übergang vom Zustand B in den Zustand C mit p = 1 bar und T = 300 °C dargestellt. Man erkennt wiederum, dass eine derartige Temperaturabsenkung ebenfalls dazu führen kann, dass SiO2 abgeschieden wird. Beträgt die maximal im Dampf lösliche SiO2-Konzentration im Punkt B 0.14 mg/kg (140 ppb), so geht diese auf einen Wert von 0.11 mg/kg (110 ppb) im Punkt C zurück.
Mit dem Pfeil III ist ein isobarer Übergang vom Zustand C in den Zustand D mit p = 1 bar und T = 500 °C dargestellt. Man erkennt wiederum, dass eine derartige Temperaturerhöhung nun im Gegensatz zu den vorherigen Zustandsänderungen zu einer Erhöhung der Dampflöslichkeit von SiO2 führt. Beträgt die maximal im Dampf lösliche SiO2-Konzentration im Punkt C 0.11 mg/kg (110 ppb), so erhöht sich diese auf einen Wert von 0.18 mg/kg (180 ppb) im Punkt D. Eine Temperaturerhöhung ist daher geeignet, um einer Verminderung der Dampflöslichkeit von Verunreinigungen durch Druckabfall gegenzusteuern bzw. diese zu kompensieren.
Das Löslichkeitsverhalten von Verunreinigungen ausnutzend, kann man nun Ablagerungen in Dampfsystemen dadurch vermeiden, indem
  • man die Auslegungsparameter für Druck und/oder Temperatur ausreichend hoch wählt,
  • dafür gesorgt wird, dass durch Druck- und/oder Temperaturabfall die Dampflöslichkeit von Verunreinigungen nie erreicht bzw. überschritten wird oder
  • indem die sinkende Dampflöslichkeit infolge Druckabfall durch einen Temperaturanstieg teilweise oder vollständig kompensiert wird.
Bezüglich möglicher Abscheidungen von Verunreinigungen kritische Parameterkonstellationen in Dampfsystemen werden nun erfindungsgemäss dadurch vermieden, indem prozesstechnisch und strömungstechnisch dafür gesorgt wird, dass die Grenze für mögliche Abscheidungen nie erreicht bzw. überschritten wird. Dies wird dadurch erreicht, dass durch die Systemauslegung
  • im Falle der Notwendigkeit der Beherrschung grösserer Druck- und/oder Temperaturabfälle die Auslegungsparameter für Druck und/oder Temperatur ausreichend hoch gewählt werden,
  • eine kritische Kombination von Druck- und Temperaturabfall vermieden wird,
  • ein kritisches Absinken der Dampflöslichkeit infolge grösserer Druckabfälle durch eine entsprechende Erwärmung des Dampfes und damit einen Temperaturanstieg kompensiert wird.
Gasturbinenanlagen kommen vielfach, in der Stromerzeugung nahezu ausnahmslos, im Zusammenhang mit Abhitzekesseln zum Einsatz. Abhitzekessel verfügen über bis zu drei Druckstufen und möglicherweise über eine Zwischenüberhitzung. Somit gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, die Parameter eines entsprechenden Dampfsystems zu beeinflussen.
Grössere Druck- und/oder Temperaturabfälle in Dampfsystemen lassen sich durch eine entsprechende Auslegung der Strömungsquerschnitte, Wahl der Dampfmassenströme u. dgl. vermeiden.
Dient der Dampf, wie am Beispiel der Gasturbinenanlage dargestellt, der Kühlung von Bauteilen, so erfährt der Dampf durch Wärmeaufnahme eine Erwärmung. Konstruktiv ist nun Sorge dafür zu tragen, dass vor und/oder in Bereichen mit signifikantem Druckabfall eine entsprechende Erwärmung des Kühldampfes erfolgt.
Figur 2 zeigt ein h-s-Diagramm mit Linien konstanter SiO2-Löslichkeit in Dampf. Man sieht wiederum die mit sinkendem Druck und sinkender Temperatur abnehmende Dampflöslichkeit. Die Linien konstanter SiO2-Dampflöslichkeit entsprechen interessanterweise in etwa der Winkelhalbierenden zwischen den Linien konstanten Druckes und den Linien konstanter Temperatur. Ausserdem ist der Grenzwert (GW) für Dampfturbinen dargestellt.
In der Figur 3 sind ergänzend zur Figur 2 die Zustandsänderungen des Dampfes innerhalb eines Dampfsystems, im vorliegenden Fall eines halboffenen Dampfkühlsystems einer Gasturbinenanlage, in Form eines h-s-Diagrammes (x-Achse: Entropie, y-Achse: Enthalpie) dargestellt. Der Kühldampf besitzt im Punkt E (Austritt aus der Vorrichtung zur Dampfbereitstellung) einen Druck von 30 bar und eine Temperatur von 360 °C. Bis zur Gasturbinenanlage oder dem zu kühlenden Bauteil (Vorrichtung zur Dampfverwendung), beispielsweise einer Schaufel, treten Druckverluste von ca. 8 bar und Temperaturverluste von ca. 5 K auf. Der Dampf hat daher im Punkt F (Eintritt in die Vorrichtung zur Dampfverwendung) einen Druck von ca. 22 bar und eine Temperatur von 355 °C. Mit diesem Druckverlust geht eine starke Abnahme der Dampflöslichkeit einher. Bei der Durchströmung des zu kühlenden Bauteils (Vorrichtung zur Dampfverwendung) treten weitere Druckverluste in der Grössenordnung von 4 bar auf. Allerdings erwärmt sich der Dampf um ca. 200 K. Der Dampf hat damit am Austritt des zu kühlenden Bauteils im Punkt G (Austritt aus der Vorrichtung zur Dampfverwendung) einen Druck von 18 bar und eine Temperatur von 560 °C. Mit diesen Parametern wird der Dampf nun einer Vorrichtung zur Dampfabnahme zugeführt. Infolge des Temperaturanstieges kommt es zu einer deutlichen Zunahme der Dampflöslichkeit von SiO2 innerhalb der Vorrichtung zur Dampfverwendung. Für den dargestellten Prozess wäre zur Verhinderung von SiO2-Ablagerungen die Einhaltung eines Grenzwertes für die SiO2-Konzentration von 3000 ppb (3 mg/kg) ausreichend. Man erkennt ferner, dass der für Ablagerungen kritische Bereich der Eintrittsbereich des Dampfes in das zu kühlende Bauteil (Vorrichtung zur Dampfverwendung) ist. Der üblicherweise für Dampfsysteme verwendete und für Dampfturbinenanlagen spezifizierte Grenzwert GW beträgt jedoch lediglich 20 ppb.
Etwas andere Verhältnisse ergeben sich bei Dampf-Luft-Gemischen. Für den Dampfdruck ist jetzt der von der Dampfkonzentration abhängige Partialdruck des Dampfes in Ansatz zu bringen. Damit liegen insbesondere bei geringen Dampfkonzentrationen geringe Partialdrücke des Dampfes vor, was wiederum zu sehr geringen Dampflöslichkeiten der jeweiligen Verunreinigung führen kann. Abhilfe kann hier die Einhaltung einer Mindestdampfkonzentration bringen.
Unter den genannten Bedingungen ist es vorteilhaft, einen signifikanten Druckabfall im Dampfsystem an der Stelle des Austrittes des Dampfes aus dem zu kühlenden Bauteil bzw. der Vorrichtung zur Dampfverwendung vorzusehen und dabei eine möglichst hohe Austrittsgeschwindigkeit des Dampfes zu realisieren. Dadurch würde sich die Ablagerung von Verunreinigungen, beispielsweise infolge aussergewöhnlicher Betriebsbedingungen, zunächst auf leicht zugängliche Stellen und damit leicht zu reinigende Stellen konzentrieren. Durch den sich mit wachsender Dampfgeschwindigkeit ausbildenden Selbstreinigungseffekt kann die Ablagerung von Verunreinigungen begrenzt im besten Fall verhindert werden.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Verhinderung der Ablagerung von Verunreinigungen in Dampfsystemen, in welchen der darin strömende Dampf gegebener Dampfqualität Temperatur- und/oder Druckänderungen unterworfen ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    durch entsprechende konstruktive Gestaltung und Auslegung der Dampfsysteme verhindert wird, dass infolge von Änderungen der Temperatur- und/oder Druckverhältnisse innerhalb des Dampfsystems die Dampflöslichkeit der in bestimmten Konzentrationen im Dampf vorhandenen Verunreinigungen überschritten wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Verunreinigungen um Siliziumdioxid (SiO2) handelt.
  3. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim Dampfsystem um eine Dampfkühlung oder eine Dampfeinspritzung einer Gasturbinenanlage handelt.
  4. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich über die Einstellung von Temperatur und/oder Druck des in dem Dampfsystem strömenden Dampfes verhindert wird, dass im Dampfsystem die Dampflöslichkeit der in bestimmten Konzentrationen im Dampf vorhandenen Verunreinigungen überschritten wird.
  5. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die konstruktive Gestaltung und Auslegung der Dampfsysteme derart wirkt, dass das Wertepaar Druck und Temperatur des Dampfes im Dampfsystem nie einen Wert annimmt, bei welchem die Dampflöslichkeit der in bestimmten Konzentrationen im Dampf vorhandenen Verunreinigungen überschritten wird, und dass insbesondere kritische Bereiche mit signifikanten Druckabfällen ohne gleichzeitige äquivalente Temperaturerhöhung des Dampf vermieden werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Absinken des Druckes derart, dass die Dampflöslichkeit der in bestimmten Konzentrationen im Dampf vorhandenen Verunreinigungen überschritten würde, durch einen entsprechenden Anstieg der Temperatur kompensiert wird.
  7. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Dampf-Luft-Gemischen der Partialdruck des Dampfes im Gemisch als Druckgrösse zu berücksichtigen ist.
  8. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der einzige kritische Druckabfall im Dampfsystem an die Stelle des Austrittes des Dampfes aus der Vorrichtung zur Dampfverwendung gelegt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der Austrittstelle des Dampfes aus der Vorrichtung zur Dampfverwendung die Strömungsgeschwindigkeit des Dampfes so hoch ist, dass sich ein selbstreinigender Effekt an der Austrittsstelle einstellt.
  10. Dampfsystem zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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