EP2017535A1 - Mit flüssigem Brennstoff betriebene Gasturbine - Google Patents

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EP2017535A1
EP2017535A1 EP07014223A EP07014223A EP2017535A1 EP 2017535 A1 EP2017535 A1 EP 2017535A1 EP 07014223 A EP07014223 A EP 07014223A EP 07014223 A EP07014223 A EP 07014223A EP 2017535 A1 EP2017535 A1 EP 2017535A1
Authority
EP
European Patent Office
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liquid fuel
gas turbine
combustion chamber
fuel
gas
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07014223A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Vladimir Vlahovic
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/30—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply comprising fuel prevapourising devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23K—FEEDING FUEL TO COMBUSTION APPARATUS
    • F23K5/00—Feeding or distributing other fuel to combustion apparatus
    • F23K5/02—Liquid fuel
    • F23K5/14—Details thereof
    • F23K5/22—Vaporising devices

Definitions

  • the invention relates to a gas turbine operated with liquid fuel and a combustion chamber of such a gas turbine.
  • Gas turbines are nowadays used in many different ways and, in particular, are generally operated with liquid fuel as so-called oil-fired gas turbines.
  • liquid fuel for such gas turbines either specially prepared fuel types are available or operated with liquid fuel gas turbines must be operated with liquid fuels of rather poor quality. This is the case, for example, with gas turbines, which are used to drive pumps on oil pipelines.
  • gas turbines which are used to drive pumps on oil pipelines.
  • oil is partially diverted from the respective pipeline itself.
  • the quality of the intended for the operation of the gas turbine liquid fuel can vary accordingly strong.
  • the invention has for its object to provide a run on liquid fuel gas turbine and a combustion chamber for such a gas turbine, in which the above problems are overcome.
  • a coking of a waste heat boiler on a combined cycle turbine should be prevented as much as possible, without having to accept loss of efficiency.
  • a liquid fuel powered gas turbine having a combustion chamber and a supply means for supplying the liquid fuel to the combustion chamber, wherein an evaporator unit is provided by means of which the liquid fuel is converted to vapor state before being fed into the combustion chamber can.
  • a combustor of a gas turbine operated with a liquid fuel in which a supply means for supplying the liquid fuel to the combustion chamber and an evaporator means are provided, by means of which the liquid fuel can be converted to a vapor state before being fed into the combustion chamber.
  • the liquid fuel is vaporized at the combustion chamber of a gas turbine prior to injection and injected in gas form into the combustion zone.
  • the combustion process is thereby accelerated according to the invention.
  • Chemical chains of the liquid fuel are shortened by evaporation, resulting in a general improvement in the combustion situation of oil-fired gas turbines. Since the evaporation takes place outside the combustion zone, there will be more time in the combustion zone to react the vaporous fuel with the oxygen. The resulting longer combustion time reduces unburned hydrocarbons and possibly produced soot particles and improves combustion efficiency.
  • a blowing device for introducing the fuel transferred into the vapor state into the combustion chamber is correspondingly provided in the case of the liquid-fueled gas turbine.
  • an energy recovery device is advantageously provided, by means of which the energy required for vaporizing the liquid fuel is at least partially recovered from the exhaust gas produced when the fuel burns.
  • the efficiency of the gas turbine according to the invention is further improved by such energy recovery.
  • the energy recovery device is advantageously designed in the form of a heat transfer, are passed through the on the one hand fuel and the other incurred exhaust gas.
  • the energy recovery device is designed as a so-called direct energy recovery, in which hot exhaust gas from the combustion process of the gas turbine (direct) is introduced into the liquid fuel. If the heat of the hot exhaust gas is not sufficient for the complete evaporation of the fuel, the Evaporation can be assisted with controlled "cold" flame. As a result, in particular the ignition is supported by active radicals. Furthermore, a low NOx emission is achieved. Any incombustible particles present in the fuel according to the invention do not reach the combustion zone.
  • FIG shows a highly schematic partial representation of an embodiment of a gas turbine according to the invention.
  • a gas turbine 10 shown in FIG. 1 comprises a combustion chamber 12, which can be supplied with fuel, on the one hand, through a line 14 and, on the other hand, through a line 16.
  • a combustion chamber 12 which can be supplied with fuel, on the one hand, through a line 14 and, on the other hand, through a line 16.
  • exhaust gas from the combustion chamber 12 flows out of the combustion chamber 12 through a line 18.
  • the thus-derived exhaust gas passes into a heat exchanger or heat exchanger 20, in which heat energy is transferred from the exhaust gas to likewise introduced into the heat exchanger 20 in a direct or indirect countercurrent process.
  • the exhaust gas subsequently flows out of the heat exchanger 20 through a line 22, while fuel flows through a line 24 into the heat exchanger 20.
  • the fuel flowing into the heat exchanger 20 is liquid and is vaporized within the heat exchanger 20, so that it passes in the vapor state through the conduit 14 into the combustion chamber 12 and is burned there.
  • the energy required for vaporizing the liquid fuel is at least partially recovered from the exhaust gas produced when the fuel is combusted.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Bei einer mit flüssigem Brennstoff betriebenen Gasturbine (10), welche eine Brennkammer (12) und eine Zuführeinrichtung (24) zum Zuführen des flüssigen Brennstoffs zur Brennkammer (12) aufweist, ist erfindungsgemäß eine Verdampfereinrichtung (20) vorgesehen, mittels der der flüssige Brennstoff vor dem Zuführen in die Brennkammer (12) in dampfförmigen Zustand überführt werden kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine mit flüssigem Brennstoff betriebene Gasturbine sowie eine Brennkammer einer derartigen Gasturbine.
  • Gasturbinen werden heutzutage auf vielfältige Weise eingesetzt und dabei insbesondere in der Regel mit flüssigem Brennstoff als so genannte ölbefeuerte Gasturbinen betriebenen. Als flüssiger Brennstoff für derartige Gasturbinen stehen entweder speziell aufbereitete Brennstoffarten zur Verfügung oder die mit flüssigem Brennstoff betriebenen Gasturbinen müssen mit flüssigen Brennstoffen von eher minderer Qualität betrieben werden. Dies ist beispielsweise bei Gasturbinen der Fall, welche zum Antreiben von Pumpen an Ölpipelines verwendet werden. Für derartige Gasturbinen wird teilweise Öl aus der jeweiligen Pipeline selbst abgezweigt. Die Qualität des für den Betrieb der Gasturbine vorgesehenen flüssigen Brennstoffs kann entsprechend stark schwanken.
  • Auch generell besteht bei bekannten ölbefeuerten Gasturbinen das Problem, dass der Verbrennungsprozess in der Brennkammer der Gasturbine durchaus noch verbesserungswürdig ist.
  • Insbesondere bei Gas- und Dampf-Turbinen (GuD-Turbinen) besteht die Gefahr, dass es an einem Abhitzekessel der GuD-Turbine zur Verkoksung kommt. An dem derartigen Abhitzekessel wird das Abgas der Gasturbinen-Einheit der GuD-Turbine hindurchgeführt und erwärmt dort den Dampf, der in der Dampfturbinen-Einheit der GuD-Turbine verwendet wird. Falls es zu einer solchen Verkoksung des Abhitzekessels einer GuD-Turbine kommt, wird bei bekannten Turbinen ein Bypass-Kamin zwischen der Gasturbinen-Einheit und dem Abhitzekessel der GuD-Turbine freigegeben. Das Abgas der Gasturbinen-Einheit strömt dann ungenutzt ab, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der GuD-Turbine verringert wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine mit flüssigem Brennstoff betriebene Gasturbine sowie eine Brennkammer für eine derartige Gasturbine zur Verfügung zu stellen, bei der die oben genannten Probleme überwunden sind. Insbesondere soll eine Verkoksung eines Abhitzekessels an einer GuD-Turbine soweit wie möglich unterbunden werden, ohne dabei Wirkungsgradverluste hinnehmen zu müssen.
  • Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einer mit flüssigem Brennstoff betriebenen Gasturbine gemäß Anspruch 1 und einer Brennkammer einer mit flüssigem Brennstoff betriebenen Gasturbine gemäß Anspruch 5 gelöst Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüche beschrieben.
  • Gemäß der Erfindung ist eine mit flüssigem Brennstoff betriebene Gasturbine geschaffen, welche eine Brennkammer und eine Zuführeinrichtung zum Zuführen des flüssigen Brennstoffs zur Brennkammer aufweist, bei der eine Verdampfereinheit vorgesehen ist, mittels der der flüssige Brennstoff vor dem Zuführen in die Brennkammer in dampfförmigen Zustand überführt werden kann.
  • Ferner ist erfindungsgemäß eine Brennkammer einer mit flüssigem Brennstoff betriebenen Gasturbine geschaffen, bei der eine Zuführeinrichtung zum Zuführen des flüssigen Brennstoffs zur Brennkammer und eine Verdampfereinrichtung vorgesehen ist, mittels der der flüssige Brennstoff vor dem Zuführen in die Brennkammer in dampfförmigen Zustand überführt werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird der flüssige Brennstoff an der Brennkammer einer Gasturbine vor der Einspritzung verdampft und in Gasform in die Verbrennungszone eingespritzt. Der Verbrennungsprozess wird dadurch erfindungsgemäß beschleunigt. Chemische Ketten des flüssigen Brennstoffs werden durch Verdampfung gekürzt, wodurch es zu einer allgemeinen Verbesserung der Verbrennungssituation von ölbefeuerten Gasturbinen kommt. Da die Verdampfung außerhalb der Verbrennungszone stattfindet, bleibt mehr Zeit in der Verbrennungszone zur Reaktion des dampfförmigen Brennstoffs mit dem Sauerstoff. Durch die sich damit ergebende längere Verbrennungszeit werden unverbrannte Kohlenwasserstoffe und eventuell produzierte Russpartikel reduziert und der Wirkungsgrad der Verbrennung wird verbessert.
  • Da erfindungsgemäß auch kein flüssiger Brennstoff ohne Sauerstoff in Kontakt mit heißen Teilen kommt, kann auch kein Ruß entstehen. Ferner wird erfindungsgemäß der Stickstoffmonoxid-Ausstoß (NOx-Ausstoß) verringert. Durch gezielte Abgaseinspritzung kann erfindungsgemäß vorteilhaft eine niedrige Verbrennungstemperatur in der Reaktionszone erreicht werden.
  • Erfindungsgemäß vorteilhaft ist entsprechend bei der mit flüssigem Brennstoff betriebene Gasturbine eine Einblaseinrichtung zum Einführen des in dampfförmigen Zustand überführten Brennstoffs in die Brennkammer vorgesehen.
  • Ferner ist vorteilhaft eine Energierückgewinnungseinrichtung vorgesehen, mittels der die zum Verdampfen des flüssigen Brennstoffs erforderliche Energie zumindest teilweise aus dem beim Verbrennen des Brennstoffs entstehenden Abgas rückgewonnen wird. Der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Gasturbine wird durch eine derartige Energierückgewinnung weiter verbessert.
  • Die Energierückgewinnungseinrichtung ist vorteilhaft in Gestalt eines Wärmerübertrages gestaltet, durch den zum einen Brennstoff und zum anderen entstandenes Abgas hindurchgeleitet werden.
  • Besonders vorteilhaft ist die Energierückgewinnungseinrichtung auch als so genannte direkte Energierückgewinnung gestaltet, bei der heißes Abgas aus dem Verbrennungsprozess der Gasturbine (direkt) in den flüssigen Brennstoff eingeführt wird. Wenn die Wärme des heißen Abgases nicht für die vollständige Verdampfung des Kraftstoffes ausreicht, kann die Verdampfung mit kontrollierter "kalter" Flamme unterstützt werden. Dadurch wird insbesondere die Zündung auch durch aktive Radikale unterstützt. Ferner wird ein niedriger NOx-Ausstoß erreicht. Eventuell im Brennstoff vorhandene, unverbrennbare Partikel gelangen erfindungsgemäß nicht in die Verbrennungszone.
  • Insgesamt wird erfindungsgemäß erreicht, das sich im Abgastrakt einer Gasturbine besonders geringe Kohlenstoffablagerungen bilden. Insbesondere im Abhitzekessel einer GuD-Turbine werden Kohlenstoffablagerungen vermieden. Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es dadurch möglich, auf ein Öffnen eines Bypass-Kamins an einem Abhitzekessel weitgehend oder vollständig zu verzichten. Unter Umständen kann ein derartiger Bypass-Kamin auch konstruktiv ganz entfallen.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen mit flüssigem Brennstoff betriebenen Gasturbine anhand der beigefügten schematischen Zeichnung nähert erläutert.
  • Es zeigt die FIG eine stark schematische Teildarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Gasturbine.
  • Eine in der FIG dargestellte Gasturbine 10 umfasst eine Brennkammer 12, der zum einen durch eine Leitung 14 Brennstoff und zum anderen durch eine Leitung 16 Brennluft zuführbar ist. Aus der Brennkammer 12 strömt im Falle einer Verbrennung des Brennstoffs innerhalb der Brennkammer 12 Abgas aus der Brennkammer 12 durch eine Leitung 18 ab. Das derart abgeleitete Abgas gelangt in einen Wärmeübertrager bzw. Wärmetauscher 20, in dem in einem direkten oder indirekten Gegenstromverfahren Wärmeenergie aus dem Abgas auf ebenfalls in den Wärmetauscher 20 eingebrachten Brennstoff übertragen wird. Das Abgas strömt nachfolgend durch eine Leitung 22 aus dem Wärmetauscher 20 ab, während Brennstoff durch eine Leitung 24 in den Wärmetauscher 20 hineinströmt.
  • Der in den Wärmetauscher 20 einströmende Brennstoff ist dabei flüssig und wird innerhalb des Wärmetauschers 20 verdampft, sodass er in dampfförmigem Zustand durch die Leitung 14 in die Brennkammer 12 gelangt und dort verbrannt wird.
  • Innerhalb des Wärmetausches 20, der als Wärmeübertrager funktioniert, wird dabei die zum Verdampfen des flüssigen Brennstoffs erforderliche Energie zumindest teilweise aus dem beim Verbrennen des Brennstoffs entstandenen Abgas rückgewonnen.

Claims (5)

  1. Mit flüssigem Brennstoff betriebene Gasturbine (10), welche eine Brennkammer (12) und eine Zuführeinrichtung (24) zum Zuführen des flüssigen Brennstoffs zur Brennkammer (12) aufweist, bei der eine Verdampfereinrichtung (20) vorgesehen ist, mittels der der flüssige Brennstoff vor dem Zuführen in die Brennkammer (12) in dampfförmigen Zustand überführt werden kann.
  2. Mit flüssigem Brennstoff betriebene Gasturbine nach Anspruch 1, bei der eine Einblaseinrichtung (14) zum Einführen des in dampfförmigen Zustand überführten Brennstoffs in die Brennkammer (12) vorgesehen ist.
  3. Mit flüssigem Brennstoff betriebene Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, bei der eine Energierückgewinnungseinrichtung (20) vorgesehen ist, mittel der die zum Verdampfen des flüssigen Brennstoffs erforderliche Energie zumindest teilweise aus dem beim Verbrennen des Brennstoffs entstehenden Abgas rückgewonnen wird.
  4. Mit flüssigem Brennstoff betriebene Gasturbine nach Anspruch 3, bei der die Energierückgewinnungseinrichtung (20) in Gestalt eines Wärmeübertragers gestaltet ist, durch den zum einen Brennstoff und zum anderen entstandenes Abgas hindurchgeleitet werden.
  5. Brennkammer (12) einer mit flüssigem Brennstoff betriebenen Gasturbine (10), bei der eine Zuführeinrichtung (24) zum Zuführen des flüssigen Brennstoffs zur Brennkammer (12) und eine Verdampfereinrichtung (20) vorgesehen ist, mittels der der flüssige Brennstoff vor dem Zuführen in die Brennkammer (12) in dampfförmigen Zustand überführt werden kann.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4838029A (en) * 1986-09-10 1989-06-13 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Externally vaporizing system for turbine combustor
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WO2004033886A2 (en) * 2002-10-10 2004-04-22 Combustion Science & Engineering, Inc. System for vaporization of liquid fuels for combustion and method of use

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