NO321264B1 - Fremgangsmate og apparat for redusering av gassturbinutslipp - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for å minske mengden av utslipp fra et gassturbinbrennkammer og en gassturbinmotor med et slikt brennkammer.

Verdens luftforurensning har ført til' strengere utslippsstandarder. Disse standardene regulerer utslippet av nitrogenoksider (NOx), ubrente hydrokarboner (HC) og karbonmonoksid (CO) som genereres som følge av gassturbinens drift. Især dannes nitrogenoksid i en gassturbinmotor som følge av høye flammetemperaturer i brennkammeret. Modifikasjoner på en gassturbinmotor for å minske utslipp av nitrøse oksider har ofte en negativ virkning på driftsytelsen i gassturbinen.

I gassturbinmotorer kan utslipp av nitrøse oksider minskes ved å øke luftstrøm-men .gjennom gassturbinens brennkammer under driften. Gassturbinmotorer omfatter forinnstilte driftsparametere, og enhver slik økning i luftstrømmene begrenses av de forinnstilte driftsparametere, inkludert turbindyseavkjøleparametere. Dette innebærer at en økning i luftstrømmene i en gassturbin bør omfatte en modifikasjon av gassturbin-motorene og tilhørende komponenter for å drive dem ved nye driftsparametere.

Siden slike modifikasjoner i gassturbinmotoren er arbeidskrevende og tidskrev-ende, fører dette til at brukerne ofte bare setter ned gassturbinmotorens driftsytelse og lar således ikke gassturbinmotoren drives med full kapasitet. Slike nedgraderinger begrenser ikke mengden av nitrøse oksider som dannes når motoren drives med full kapasitet, men begrenser i stedet gassturbinmotorens driftsytelse.

Fra den kjente teknikk på området skal det vises til US 5 617 716.

Formålet med oppfinnelsens er å redusere utslippene fra gassturbinmotorer samtidig som de ovenfor nevnte ulemper unngås.

Ifølge oppfinnelsen oppnås dette formål ved en fremgangsmåte som angitt i krav 1, og en gassturbinmotor som angitt i krav 5.

Fordelaktige utførelsesformer er angitt i de uselvstendige krav.

Under normal gassturbindrift blir brennstoff tilført proporsjonalt med luftstrøm-men til brennkammeret, slik at brennkammeret drives med et brennstoff-/luftblandingsforhold på mindre enn én. Etter hvert som gassturbinmotorens hastighet øker og ekstra brennstoff og luft tilføres brennkammeret, tilfører vannleveringssystemet enten vann eller damp til brennkammeret. Økningen i brennsonens flammetemperatur som genereres som følge av at ytterligere brennstoff brennes i brennkammeret, minimeres med vannet eller dampen som tilføres brennkammeret. Følgelig reduseres utslippet av de nitrøse oksider som dannes. Alternativt kan gassturbinmotoren oppnå en øket driftseffekt for et spesifikt utslippsnivå av nitrøse oksider.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende under henvisning til tegningene, der

fig. 1 er et skjematisk riss av en gassturbinmotor, og

fig. 2 er et snittriss av et brennkammer som brukes méd gassturbinmotoren vist på fig. 1.

Fig. 1 viser skjematisk riss av en gassturbinmotor 10 med en lavtrykks-kompressor 12, en høytrykkskompressor 14 og et brennkammer 16. Motoren 10 omfatter også en høytrykksturbin 18 og en lavtrykksturbin 20. Brennkammeret 16 er et brennkammer for en mager forblanding. Kompressoren 12 og turbinen 20 er koplet sammen av en første aksel 21, og kompressoren 14 og turbinen 18 er koplet sammen av en andre aksel 22. En last (ikke vist) er også koplet til gassturbinmotoren 10 med den første aksel 21.

Under drift strømmer luft gjennom lavtrykkskompressoren 12 og komprimert luft tilføres fra lavtrykkskompressoren 12 til høytrykkskompressoren 14. Den høyt kom-primerte luft leveres til brennkammeret 16. Luftstrømmen fra brennkammeret 16 driver turbinen 18 og 20 og forlater gassturbinmotoren 10 via en dyse 24.

Fig. 2 er et snittriss av et brennkammer 16 brukt i gassturbinmotoren 10. (Vist på fig. 1). Da brennkammeret 16 er et brennkammer for en mager forblanding inneholder brennstoff-/luftblandingen tilført brennkammeret 16 mer luft enn det som kreves for helt å forbrenne brennstoffet. Følgelig er brennstoff-/luftblandingsforholdet for brennkammeret 16 mindre enn en. Siden brennkammeret 16 forblander brennstoffet med luft, er brennkammeret 16 et rent brennkammer for en mager forblanding. Brennkammeret 16 omfatter en ringformet, utvendig foring 40, en ringformet, innvendig foring 42 og en kuppelformet ende 44 som strekker seg mellom den utvendige og den innvendige foring 40 og 42. Den utvendige foring 40 og den innvendige foring 42 er anbrakt radialt fra hverandre innover fra et brennkammerhus 136 og danner et brennkammer 46. Brennkammerhuset 136 er generelt ringformet og strekker seg nedstrøms fra en diffusor 48. Brennkammeret 46 er generelt ringformet og er anbrakt radialt innover fra foringene 40 og 42. Den utvendige foring 40 og brennkammerhuset 136 danner en utvendig passasje 52 og den innvendige foring 42 og brennkammerhuset 136 danner en innvendig passasje 54. Den utvendige og innvendige foring 40 og 42 strekker seg til en turbindyse 55 anbrakt nedstrøms fra diffusoren 48.

Brennkammerets kuppelformede ende 44 omfatter flere kupler 56 anordnet i en trekantet form. Alternativt omfatter brennkammerets kuppelformede ende 44 en dobbel, ringformet konfigurasjon. I en annen utførelse omfatter brennkammerets kuppelformede ende 44 en enkelt, ringformet konfigurasjon. En utvendig kuppel 58 omfatter en ytterende 60 festet til brennkammerets utvendige foring 40 og en innerende 62 festet til en midtre kuppel 64. Den midtre kuppel 64 omfatter en ytterende 66 festet til en utvendige kuppels innerende 62 og en innerende 68 festet til en innvendig kuppel 70. Følgelig befinner den midtre kuppelen 64 seg mellom de utvendige og innvendige kupler henholdsvis 58 og 70. Den innvendige kuppel 70 omfatter en innerende 72 festet til den midtre kuppels innerende 68 og en ytterende 74 festet til brennkammerets innvendige foring 42.

Brennkammerets kuppelformede ende 44 omfatter også en varmeskjerm 76 for den utvendig kuppelen, en varmeskjerm 78 for den midtre kuppel og en varmeskjerm 80 for den innvendige kuppel for å isolere hver kuppel 58, 64 og 70 fra flammer som brenner i brennkammeret 46. Varmeskjermen 76 for den utvendige kuppelen omfatter et ringformet endelegeme 82 for å isolere brennkammerets utvendige foring 40 fra flammer som brenner i den utvendige primære brennsone 84. Den midtre kuppels varmeskjerm 78 omfatter ringformede sentrumslegemer 86 og 88 for å skille den midtre kuppel 64 fra henholdsvis den utvendige og innvendige kuppel 58 og 70. Den midtre kuppels sentrumslegemer 86 og 88 er anbrakt radialt utover fra en midtre primær brennsone 90. Den innvendige kuppels varmeskjerm 80 omfatter et ringformet endelegeme 92 for å isolere brennkammerets innvendige foring 42 fra flammer som brenner i en innvendig primær brennsone 94. En tenner 96 strekker seg gjennom brennkammerhuset 136 og er anbrakt nedstrøms fra varmeskjermens endelegeme 82 for den utvendige kuppelen.

Kuplene 58, 64 og 70 blir tilført brennstoff og luft via en forblander og mani-foldsystem (ikke vist). Flere brennstoffrør 102 strekker seg mellom en brennstoffkilde (ikke vist) og flere kupler 56. Spesifikt tilfører et utvendig kuppelbrennstoffrør 103 brennstoff til en forblandekopp 104 anbrakt inne i den utvendige kuppel 58, et midtre kuppelbrennstoffrør 106 tilfører brennstoff til en forblandekopp 108 anbrakt inne i den midtre kuppel 64, og et innvendig kuppelbrennstoffrør 110 tilfører brennstoff til en forblandekopp 112 anbrakt inne i den innvendige kuppel 70.

Brennkammeret 16 omfatter også et vannleveringssystem 130 for å tilføre vann til gassturbinen 10, slik at vann sprøytes inn i brennkammeret 16. Vannleveringssystemet 130 omfatter flere vanninnsprøytingsdyser 134 koplet til en vannkilde (ikke vist). Vanninnsprøytningsdysene 134 står i strømningsforbindelse med forblandekopper 104, 108 og 112 og sprøyter forstøvet vann inn i brennstoff-/luftblandingen som dannes i forblandekoppen 104, 108 og 112. I en alternativ utførelse er innsprøytningsdysene 134 koplet til en dampkilde (ikke vist), og damp sprøytes inn i brennstoff-/luftblandingen ved hjelp av dysen 134.

Under drift av gassturbinmotoren 10 blir luft og brennstoff blandet i forblandekoppene 104, 108 og 112 og brennstoff-/luftblandingen blir ført inn i kuplene henholdsvis 58, 64 og 70. Blandingen brenner i primærbrennsonene 84, 90 og 94 i kuplene 58, 64 og 70 som er aktive. Når gassturbinmotoren drives med høy ytelse øker mengden av brennstoffet som trenger inn i forblandekoppene 108 og fører til et høyere brennstoff-/luftforhold i kuppelen 64.

Den midtre kuppel 64 er kjent som en pilotkuppel og får tilført brennstoff under alle driftsfaser av motoren 10. Kuplene 58 og 70 får tilført brennstoff etter behov fra gassturbinmotoren 10. Etter hvert som gassturbinmotorens driftskrav øker, blir også vann tilført kuplene 58, 64 og 70 etter behov for å oppfylle kravene til utslipp av nitrøse oksider. Gassturbinmotoren har en bestemt merkeeffekt. For å drive gassturbinmotoren 10 over 90 % av oppgitt merkeeffekt, må ekstra brennstoff tilføres brennkammerets midtre kuppel 64. Under slike driftsforhold tilfører vannleveringssystemet 130 ekstra vann til den midtre kuppel 64 for å minimere temperaturøkningen som følge av at ekstra brennstoff brennes i brennkammerets midtre kuppel 64.

Når gassturbinmotoren 10 drives over omtrent 90 % av merkeeffekten, blir ekstra brennstoff tilført bare til brennkammerets midtre kuppel 64, da de utvendige og innvendige flammetemperaturer i kuppelen begrenses av dynamiske trykk- eller akustiske begrensninger. Når gassturbinmotoren 10 drives med en slik effekt, tilfører vannleveringssystemet 130 vann til brennkammeret 16 for å opprettholde flammetemperaturene som genereres i den midtre kuppel 64 til omtrent lik flammetemperaturene som genereres i de utvendige og innvendige kupler 58 og 70. Videre holdes utslippene av de nitrøse oksider som genereres i den midtre kuppel 64 på et nivå som er omtrent lik de nivåene som genereres i den utvendige og innvendige kuppel 58 og 70. Ved å tilføre ekstra vann bare til den midtre kuppel 64 under slike driftsforhold for motoren, blir den negative virkning fra genereringen av ekstra karbonmonoksidutslipp i brennkammeret 10 kompensert ved reduksjonen i utslipp av nitrøse oksider og økningen av driftseffekten. Alternativt kan turbinens 10 effektnivå økes for et spesifikt utslippsnivå av nitrøse oksider.

Etter hvert som motorytelsen svekkes over tid, kan ekstra brennstoff bli nød-vendig for å frembringe samme motorytelse sammenliknet med motorer som ikke har blitt svekket. Av årsakene nevnt ovenfor, tilføres ekstra brennstoff til brennkammerets midtre kuppel 64. Under slike motordriftsforhold tilfører vannleveringssystemet 130 vann med en øket strømningsrate til den midtre kuppel 64 for å opprettholde flammetemperaturene i den midtre kuppel og regulere genereringen av utslipp som følge av den økte brennstoffstrøm.

I en ytterligere utførelse kan vannleveringssystemet 130 selektivt drives mellom en første driftsmodus og eri andre driftsmodus. Den første driftsmodus for vannleveringssystemet 130 aktiveres under alle faser av gassturbinmotorens 10 drift over tomgang. Typisk leverer vannleveringssystemet 130 i den første driftsmodus vann til alle tre kupler 58, 64 og 70 med omtrent samme strømningsrate.

Vannleveringssystemets 130 andre driftsmodus aktiveres når gassturbinmotoren 10 drives over 90 % av merkeeffekten. Når vannleveringssystemet 130 drives i den andre driftsmodus, blir vann tilført den midtre kuppel 64 med en større strømningsrate enn vannet som tilføres kuppelen 64 når vannleveringssystemet 130 er i den første driftsmodus. Den økte strømningsrate tilført under den andre driftsmodus minsker utslippene av nitrøse gasser fra gassturbinmotoren 10.

Når gassturbinmotoren 10 i en alternativ utførelse drives over 90 % av merkeeffekten, blir damp tilført brennstoffet oppstrøms fra brennkammeret 16.1 en annen utførelse blir damp tilført brennstoffet oppstrøms fra brennkammeret 16 når gassturbinmotoren drives over tomgang. Damp^rennstoffblandingen tilføres bare brennkammerets midtre kuppel 64, fordi flammetemperaturene i den utvendige og innvendige kuppel begrenses av dynamiske trykkgrenser. Damp-/brennstoffblandingen oppvarmes før den innføres i den midtre kuppel 64 for å hindre kondensering og blir blandet grundig før den sprøytes inn i brennkammerets midtre kuppel 64. Ekstra damp gjør det mulig å opprettholde flammetemperaturer som genereres i den midtre kuppel 64 til omtrent lik de flammetemperaturer som genereres i den utvendig og innvendige kuppel 58 og 70. Som resultat opprettholdes utslippene av nitrøse oksider som genereres i den midtre kuppel 64 til et nivå som omtrent tilsvarer de nivåene som genereres i den utvendige og innvendige kuppel 58 og 70. Fordi ekstra damp bare tilføres den midtre kuppel 64, blir de potensielle negative virkninger fra ekstra karbonmonoksidutslipp som genereres i brennkammeret 16 kompensert av reduksjonen i utslippene av nitrøse oksider og økningen av motorens driftseffekt.

Ovennevnte brennkammersystem for en gassturbinmotor er kostnadseffektivt og pålitelig. Brennkammersystemet omfatter et brennkammer som drives med et brennstoff-/luftblandingsforhold som er mindre enn en og et vannleveringssystem som sprøyter inn vann og/eller damp inn i brennkammeret for å minske utslippene av nitrøse oksider som genereres under gassturbindriften. Som resultat blir utslippene av nitrøse oksider for et spesifikt turbindriftsnivå redusert. Alternativt kan gassturbinens driftseffektnivå økes for et spesifikt utslippsnivå av nitrøse oksider.

Selv om oppfinnelsen er beskrevet i forskjellige utførelser vil det fremgå for en fagmann at oppfinnelsen kan praktiseres med modifikasjoner innenfor kravenes omfang.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for å minske mengden av utslipp fra et gassturbinbrennkammer (16) ved bruk av et vannleveringssystem (130), hvor gassturbinmotoren omfatter et brennkammer av en type med mager forblanding som virker med et brennstoff-/luftblandingsforhold på mindre enn én, idet vannleveringssystemet er koplet til gassturbinmotoren (10), omfattende trinnene: å drive gassturbinmotoren med et brennstoff-/luftblandingsforhold på mindre enn én, ogkarakterisert vedå tilføre minst ett av vann og damp inn i gassturbinmotoren med vannleveringssystemet, slik at minst ett av vann og damp sprøytes inn i brennkammeret, hvor brennkammeret (16) omfatter flere kupler (56), hvor trinnet med å tilføre minst ett av vann og damp videre omfatter det trinn å tilføre minst ett av vann og damp til minst én av kuplene.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at brennkammeret (16) omfatter en første kuppel (58), en andre kuppel (64) og en tredje kuppel (70), idet den andre kuppel er anbrakt radialt innover i forhold til den første kuppel og den tredje kuppel, hvor trinnet med å tilføre minst ett av vann og damp, videre omfatter trinnet med å tilføre minst ett av vann og damp til brennkammerets andre kuppel.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at gassturbinmotoren drives i en av to modi, innbefattet en første modus hvor vann tilføres til brennkammeret med en første strømningsrate, og en andre modus hvor vann tilføres til brennkammeret med en strømningsrate som er høyere enn en første strømningsrate.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at gassgurbinmotoren drives i minst to modi, innbefattet en første modus hvor vannet innføres i alle tre kupler med omtrent den samme rate, og en andre modus hvor vannet tilføres i den andre eller midtre kuppel med en høyere rate enn de andre to kupler.

5. Gassturbinmotor (10) omfattende en brennkammersystem utformet for å minske utslipp fra gassturbinmotoren, hvor brennkammersystemet omfatter et brennkammer (16) og et vannleveringsundersystem (130), idet brennkammeret er et brennkammer for en mager forblanding for å virke med et brennstoff-/luftblandingsforhold på mindre enn 1, idet vannleveringsundersystemet er koplet til gassturbinmotoren og utformet for å tilføre minst ett av vann og damp til gassturbinmotoren, slik at minst ett av vann og damp sprøytes inn i brennkammeret, karakterisert ved at brennkammeret (16) omfatter flere kupler (56), hvor vannleveringsundersystemet videre er utformet for å tilføre i det minste ett av vann og damp til minst en kuppel for brennkammeret.

6. Gassturbinmotor (10) ifølge krav 5, karakterisert ved at brennkammeret (16) omfatter minst en forblander (108), idet vannleveringsundersystemet (130) vider er utformet for å tilføre minst ett av vann og damp til minst en forblander for brennkammeret.

7. Gassturbinmotor (10) ifølge krav 6, karakterisert ved at brennkammeret (16) omfatter en første kuppel (58), en andre kuppel (64) og en tredje kuppel (70), hvor den andre kuppel eller midtre kuppel er anbrakt mellom den første og tredje kuppel, og vannleveringsundersystemet er videre utformet for å tilføre minst ett av vann og damp til brennkammerets andre kuppel.

8. Gassturbinmotor (10) ifølge krav 7, karakterisert ved at vannleveringsundersystemet (130) virker selektivt i en første modus og en andre modus, hvor vannleveringsundersystemet videre er utformet for å tilføre vann inn i alle tre kupler med omtrent den samme rate i den første driftsmodus, hvor vannleveringsundersystemet videre er utformet for å tilføre vannet til den midtre kuppel med høyere rate enn de to kupler i den andre driftsmodus.

9. Gassturbinmotor ifølge krav 8, karakterisert ved at det andre driftsmodus er ved høyere merkeeffekt enn første driftsmodus.

10. Gassturbinmotor ifølge krav 9, karakterisert ved at den andre driftsmodus er over omtrent 90 % av merkeeffekten.