WO2005088103A1 - Vorrichtung und verfahren zum erwärmen eines gasstroms - Google Patents

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WO2005088103A1
WO2005088103A1 PCT/EP2005/051009 EP2005051009W WO2005088103A1 WO 2005088103 A1 WO2005088103 A1 WO 2005088103A1 EP 2005051009 W EP2005051009 W EP 2005051009W WO 2005088103 A1 WO2005088103 A1 WO 2005088103A1
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exhaust gas
compressor
gas turbine
gas
line
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PCT/EP2005/051009
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Inventor
Flavio Ferrari
Alexei Gortychov
Sasha Savic
Original Assignee
Alstom Technology Ltd
Micheli, Marco
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Publication date
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    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/34—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid with recycling of part of the working fluid, i.e. semi-closed cycles with combustion products in the closed part of the cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C1/00—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid
    • F02C1/04—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid the working fluid being heated indirectly
    • F02C1/08—Semi-closed cycles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/18—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use using the waste heat of gas-turbine plants outside the plants themselves, e.g. gas-turbine power heat plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/04—Air intakes for gas-turbine plants or jet-propulsion plants
    • F02C7/047—Heating to prevent icing

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for heating a gas stream supplied to a compressor of a stationary gas turbine.
  • the gas / air stream supplied to the compressor can be heated, for example.
  • heating of the gas / air flow can be achieved in several ways. For example, compressed air can be removed at the compressor outlet and returned to the air stream upstream of the compressor. Due to the high compression, the air extracted at the compressor outlet has a comparatively high compressor outlet temperature, which
  • Another possibility of heating the air flow and thus preventing ice formation is, for example, the arrangement of an additional heater.
  • This can be arranged, for example, in the region of a filter arranged upstream of the compressor and can be supplied with energy via an external energy source, for example a current source.
  • the main disadvantage of such additional heating is the high additional energy costs that are required for heating the gas / air flow.
  • the present invention is based on the general idea of branching off a partial exhaust gas stream from an exhaust gas stream of the gas turbine and feeding it back upstream of the compressor to the gas stream in order to heat it up.
  • the hot exhaust gas from the gas turbine is used in a particularly advantageous manner to heat the gas stream supplied to the compressor of a stationary gas turbine and thereby to protect the compressor against icing. Since removal of a partial exhaust gas stream after the gas turbine does not affect the efficiency of the gas turbine, the withdrawn partial exhaust gas flow can be used with almost no influence on the efficiency of the gas turbine for preheating the gas flow entering the compressor.
  • the exhaust gas recirculation is implemented via an exhaust gas recirculation line, which is connected at one end to an inlet end at the inlet side to the compressor and at the other end is connected to an exhaust line of the gas turbine at an outlet end.
  • the solution according to the invention makes it possible to dispense with cost-intensive and technically complex additional heating elements, such as heating coils and / or heat exchangers, so that cost advantages can be realized.
  • the invention does not require an additional energy source to operate the auxiliary heater.
  • a silencer or a pressure wave damping system which dampens shock-like pressure waves and thus protects the gas turbine from damage, can be dispensed with by the invention.
  • the main advantage lies in the simple constructive
  • the exhaust gas stream contains a high proportion of oxygen, so that the recirculated exhaust gas can be fed back to the compressor or the subsequent combustion chamber without additional treatment for renewed combustion.
  • the influence of exhaust gas recirculation on the actual combustion process remains comparatively small.
  • a filter can be arranged in the exhaust gas recirculation line.
  • This is, for example, a particle filter which is suitable for filtering out soot or very small particles and thereby prevents deposits of such soot particles on parts of the compressor or the gas turbine.
  • particle filters for cleaning exhaust gases are widespread nowadays and have been tried and tested over many years, as a result of which reliable filtering of the branched off exhaust gas stream is ensured.
  • a control valve for controlling the exhaust gas recirculation can be arranged in the exhaust gas recirculation line. This enables the amount of exhaust gas supplied to be regulated as required and thus an optimal efficiency of the gas turbine.
  • the control valve and thus a recirculated exhaust gas quantity are preferably controlled via a control device as a function of at least the ambient temperature and / or the relative humidity of the ambient air and / or the temperature of the extracted exhaust gas and / or an operating state of the gas turbine and / or a position of the inlet guide vanes of the compressor.
  • any adverse weather conditions such as high air humidity and low temperatures, can be reacted to as required, so that the gas turbine can be efficiently protected against icing and thus against damage.
  • the control valve depending on the parameters mentioned, the efficiency of the
  • an admixing device for admixing the recirculated exhaust gases to the gas stream supplied to the compressor can be provided at the supply end of the exhaust gas recirculation line be arranged.
  • the admixing device ensures a needs-based, for example uniform, admixing of the recirculated exhaust gases and thereby a mixing ratio between recirculated exhaust gas and fresh air flow that is particularly favorable for the efficiency or the service life of the gas turbine.
  • a fan and / or a jet pump for driving the recirculated exhaust gas flow can be arranged in the exhaust gas recirculation line downstream of the filter.
  • Such drive devices increase or decrease a speed of the recirculated exhaust gas, so that the recirculated exhaust gas quantity can always be optimally adapted to the requirements of the gas turbine.
  • the fan and / or the jet pump is / are preferably connected to a control device for monitoring the recirculated exhaust gas volume and / or the flow rate of the recirculated exhaust gas stream, which controls the fan and / or the jet pump at least as a function of the ambient temperature and / or the relative humidity of the ambient air and / or a temperature of the extracted exhaust gas and / or the operating state of the gas turbine and / or the position of the inlet guide vanes of the compressor. Similar to the control device for the control valves, the control device enables the blower or the jet pump to be individually adjusted to the respective requirements of the gas turbine, so that a further increase in the efficiency of the gas turbine is possible.
  • FIG. 1 is a highly simplified, circuit diagram-like schematic representation of a gas turbine system which is equipped with an exhaust gas recirculation according to the invention
  • FIG. 2 shows an illustration as in FIG. 1, but in another embodiment of the exhaust gas recirculation
  • Fig. 3 is an illustration as in Fig. 1, but in a further embodiment of the exhaust gas recirculation.
  • a stationary gas turbine system includes, among other things, a compressor 2, a combustion chamber 21 and a gas turbine 3. Such a stationary gas turbine 3 is generally used to produce electricity.
  • a gas / air flow 4 is supplied to the compressor 2, which is represented here by an arrow.
  • the gas stream 4 is compressed in the compressor 2 and then reaches the combustion chamber 21.
  • the compressed gas stream heated in the combustion chamber 21 or the hot combustion gases from the combustion chamber 21 are then expanded in the gas turbine 3. Relaxed hot exhaust gases then exit from the gas turbine 3 into an exhaust line 8 in accordance with an arrow.
  • the gas turbine 3 or the gas turbine system is equipped with a device 1 which makes it possible to heat the gas stream 4 fed to the compressor 2 before it enters the compressor 2.
  • the device 1 essentially comprises an exhaust gas recirculation line 5, which is connected at one end to a feed end 6 on the inlet side to the compressor 2 and at the other end is connected to the exhaust line 8 of the gas turbine 3 at a removal end 7.
  • the removal end 7 is connected to the exhaust line 8 of the gas turbine 3 in the region between an outlet side of the gas turbine 3 and a downstream exhaust gas chimney 9.
  • any arrangement of the removal end 7 in the aforementioned area is therefore conceivable, so that the device 1 according to the invention can be individually adapted to a respective available installation space or to individual design requirements.
  • a riter 10 is arranged in the exhaust gas recirculation line 5.
  • This filter 10 is used to filter out particles, such as soot particles, which can deposit on parts of the gas turbine system, in particular the compressor 2, without the filter and can thereby cause damage to the components mentioned.
  • a blower 11 Downstream of the filter 10, a blower 11 (see FIGS. 1 and 2) or a jet pump 12 (see FIG. 3) with a blower 11 for driving the recirculated exhaust gas flow is arranged in the exhaust gas recirculation line 5.
  • the blower 11 and / or the jet pump 12 allow a targeted influence on a flow speed and thus also on a recirculated exhaust gas quantity, so that both the speed and the recirculated exhaust gas quantity can be optimally adapted to current requirements.
  • blower 11 and / or the jet pump 12 can be used to optimally set the flow rate of the exhaust gas flow or the amount of recirculated exhaust gas, thereby improving the efficiency of the gas turbine 3 or the gas turbine system.
  • a shut-off valve 13 is arranged in the exhaust gas recirculation line 5, which is essentially adjustable between loading and delivery.
  • a control valve 14 is arranged in the exhaust gas recirculation line 5, which is designed to control the exhaust gas recirculation.
  • the control valve 14 also enables any restriction of the exhaust gas recirculation.
  • the control valve 14 is controlled by an associated control device 15, which controls the exhaust gas recirculation in dependence on at least one of the following parameters: ambient temperature, relative humidity of the ambient air, temperature of the extracted exhaust gas, operating state of the gas turbine, position of the
  • control device 15 is connected via control lines 22 to the exhaust line 8 and / or to the compressor 2 and / or to a weather station 23 which determines at least one of the aforementioned weather parameters.
  • corresponding sensors are arranged in the region of the exhaust line 8 or the exhaust stack 9.
  • a mixing device 16 is arranged, which for mixing the recirculated Exhaust gases to the gas stream 4 supplied to the compressor 2 is formed.
  • the admixing device 16 ensures a needs-based, for example uniform, admixing of the recirculated exhaust gases to the gas stream 4. For example, sufficient preheating of the gas stream 4 with a recirculated exhaust gas stream that is as small as possible can be achieved, as a result of which an improved efficiency of the gas turbine 3 or the gas turbine system can be achieved.
  • the admixing device 16 is arranged at the inlet of a fresh gas line 17 and thus on the inlet side of the compressor 2.
  • a second filter 18 and / or a silencer 19 can be arranged in the fresh gas line 17 downstream of the admixing device 16.
  • the blower 11 is connected to a control device 20 for monitoring the recirculated exhaust gas volume and / or the flow rate of the recirculated exhaust gas flow.
  • control device 20 controls the blower 11 and / or the jet pump 12 as a function of at least the ambient temperature and / or the relative air humidity and / or the temperature of the exhaust gas removed and / or the operating state of the gas turbine 3 and / or the position of the Inlet guide vanes of the compressor 2.
  • the control device 20 similar to the control device 15, is connected to the corresponding sensors, for example temperature / humidity sensors in the weather station 23, via corresponding control lines 22.
  • the control device 20 can be integrated into the control device 15 or vice versa.
  • the mode of operation of the exhaust gas recirculation according to the invention is briefly explained below:
  • the gas stream 4 supplied to the compressor 2 is preheated, particularly in the case of critical parameters, such as, for example, a low outside temperature with a simultaneous high relative humidity.
  • exhaust gas is taken from an exhaust line 8 of the gas turbine 3 and fed directly or indirectly back to the compressor 2 on the inlet side.
  • the exhaust gas is preferably removed in the region between an outlet side of the gas turbine 3 and a downstream exhaust gas chimney 9 in the exhaust line 8, the exhaust gas stream removed flowing through a filter 10 before being returned and being filtered thereby.
  • a blower 11 and / or a jet pump 12 are arranged in the exhaust gas recirculation duct 5, whereby the recirculated exhaust gas flow can be driven and at the same time a recirculated exhaust gas volume and / or a flow rate of the recirculated exhaust gas stream can be regulated
  • a control device 20 can be provided according to FIGS. 2 and 3, which can control an output of the blower 11 and / or the jet pump 12 as a function of at least one of the above-mentioned parameters.
  • the recirculated exhaust gas quantity can be metered by means of a control valve 14, which can also be controlled via a control device 15 as a function of at least one of the above-mentioned parameters.
  • the invention provides for heating of a gas stream 4 fed to a compressor 2 of a stationary gas turbine 3 such that exhaust gas is taken from an exhaust line 8 of the gas turbine 3 and the compressor 2 is fed back directly or indirectly on the inlet side (exhaust gas recirculation).

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Erwärmen eines einem Verdichter (2) einer stationären Gasturbine (3) zugeführten Luftstrom (4), 5 wobei die Vorrichtung (1) eine Abgasrückführungsleitung (5) aufweist, welche einenends an einem Zuführungsende (6) eingangsseitig mit dem Verdichter (2) verbunden ist und anderenends an einem Entnahmeende (7) mit einem Abgasstrang (8) der Gasturbine (3) verbunden ist. Hierbei wird dem Abgasstrang (8) der Gasturbine (3) Abgas entnommen und eingangsseitig dem Verdichter (2) direkt oder indirekt wieder zugeführt.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Erwärmen eines Gasstroms
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Erwärmen eines einem Verdichter einer stationären Gasturbine zugeführten Gasstroms.
Stand der Technik
Bei stationären Gasturbinen kann es auf Grund ungünstiger Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise niedrige Umgebungstemperaturen und relativ hohe Luftfeuchtigkeit, bei den ersten Stufen eines Verdichters zu einer Eisbildung kommen. Das Eis verschlechtert zum einen den Wirkungsgrad des Verdichters und damit der Gasturbine und kann zum anderen bei seiner - Ablösung zu einer Beschädigung des Verdichters führen. Um eine Vereisung der ersten Verdichterstufen zu vermeiden, kann beispielsweise der dem Verdichter zugeführte Gas-/Luftstrom erwärmt werden. Grundsätzlich lässt sich hierbei eine solche Erwärmung des Gas-/Luftstroms auf mehrere Arten realisieren. Beispielsweise kann am Verdichteraustritt komprimierte Luft entnommen und stromauf des Verdichters dem Luftstrom wieder zugeführt werden. Durch die hohe Kompression besitzt die am Verdichteraustritt entnommene Luft eine vergleichsweise hohe Verdichteraustrittstemperatur, was
zur Erwärmung des Gas-/Luftstroms genutzt werden kann. Allerdings muss hierzu der am Verdichteraustritt herrschende Druck gedrosselt werden, um die erwärmte Luft in den Luftstrom einleiten zu können. Diese Vorgehensweise ist jedoch mit Nachteilen behaftet. Zum einen wird bei einer Drosselung der entnommenen Luft Reibungswärme entzogen, was zu Verlusten führt, zum anderen bewirkt die Entnahme der komprimierten Luft am Verdichter eine Wirkungsgradreduzierung des Verdichters. Bei einer derartigen Vorgehensweise reduziert sich somit insgesamt der Wirkungsgrad für die Gasturbine.
Alternativ ist denkbar, den dem Verdichter zugeführten Luftstrom stromauf des Verdichters durch einen geeigneten Wärmeübertrager zu leiten, um die erwünschte Temperaturerhöhung im Gas-/Luftstrom zu erzielen. Die Durchströmung eines Wärmeübertragers ist zwangsläufig mit einem Druckabfall verbunden, der die Leistungsfähigkeit der Gasturbine reduziert. Besonders nachteilig ist hierbei außerdem der Umstand, dass ein derartiger Wärmeübertrager immer durchströmt werden muss, also auch dann, wenn eine Erwärmung des Luftstroms gar nicht erforderlich ist. Üblicherweise ist jedoch gerade der Zeitraum, in dem für eine Eisbildung günstige Umgebungsbedingungen herrschen, in der Regel vergleichsweise klein gegenüber der Gesamtbetriebsdauer der Gasturbine. Dementsprechend arbeitet die Gasturbine unverhältnismäßig lange mit einem unnötig reduzierten Wirkungsgrad. Darüber hinaus ist ein derartiger Wärmeübertrager mit hohen Zusatzkosten verbunden.
Eine weitere Möglichkeit der Erwärmung des Luftstroms und damit der Verhinderung einer Eisbildung besteht z.B. in der Anordnung einer Zusatzheizung. Diese kann beispielsweise im Bereich eines stromauf des Verdichters angeordneten Filters angeordnet werden und über eine externe Energiequelle, beispielsweise eine Stromquelle, mit Energie versorgt werden. Der Hauptnachteil einer derartigen Zusatzheizung liegt in den hohen zusätzlichen Energiekosten, welche für die Erwärmung des Gas-/Luftstromes benötigt werden.
Es besteht daher ein Bedürfnis nach einer Möglichkeit, den dem Verdichter zugeführten Gas-/Luftstrom bei Bedarf erwärmen zu können, ohne dass dabei der Wirkungsgrad der Gasturbine bzw. damit ausgestatteten Gasturbinenanlage allzu sehr beeinträchtigt wird.
Darstellung der Erfindung
Hier setzt die Erfindung an. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für die Vorwärmung des dem Verdichter zugeführten Gasstroms einen verbesserten Weg aufzuzeigen, der sich insbesondere nur in geringem Umfang nachteilig für den Wirkungsgrad der Gasturbine auswirkt."
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Teilabgasstrom aus einem Abgasstrom der Gasturbine abzuzweigen und stromauf des Verdichters dem Gasstrom zu dessen Erwärmung wieder zuzuführen. Hierdurch wird in besonders vorteilhafter Weise das heiße Abgas der Gasturbine dazu benutzt, den dem Verdichter einer stationären Gasturbine zugeführten Gasstrom zu erwärmen und dadurch den Verdichter vor einer Vereisung zu schützen. Da eine Entnahme eines Teilabgasstromes nach der Gasturbine den Wirkungsgrad derselben nicht beeinflusst, kann der entnommene Teilabgasstrom nahezu ohne Einfluss auf den Wirkungsgrad der Gasturbine zur Vorwärmung des in den Verdichter eintretenden Gasstromes genutzt werden. Realisiert wird die Abgasrückfuhrung über eine Abgasruckfuhrungsleitung, welche einenends an einem Zuführungsende eingangsseitig mit dem Verdichter verbunden ist und anderenends mit einem Entnahmeende mit einem Abgasstrang der Gasturbine verbunden ist.
Durch die erfindungsgemäße Lösung kann auf kostenintensive und technisch aufwändige zusätzliche Heizelemente, wie beispielsweise Heizspulen und/oder Wärmeübertrager, verzichtet werden, so dass Kostenvorteile realisiert werden können. Darüber hinaus ist für die Erfindung keine zusätzliche Energiequelle zum Betreiben der Zusatzheizung erforderlich. Auch einen Schalldämpfer bzw. ein Druckwellendämpfungssystem, welches stoßartige Druckwellen dämpft und damit die Gasturbine vor Beschädigungen schützt, sind durch die Erfindung entbehrlich. Der Hauptvorteil liegt jedoch in der einfachen konstruktiven
Ausführung der Erfindung, welche im wesentlichen die Abgasrückführleitung sowie insbesondere ein Filter zur Reinigung des entnommenen ' Teilabgasstromes und gegebenenfalls Ventile zur Steuerung desselben aufweist.
Da es sich bei der Verbrennung in der Gasturbine regelmäßig um eine magere Verbrennung handelt, enthält der Abgasstrom einen hohen Sauerstoffanteil, so dass das rückgeführte Abgas ohne zusätzliche Aufbereitung zur erneuten Verbrennung dem Verdichter bzw. der nachfolgenden Brennkammer wieder zugeführt werden kann. Gleichzeitig bleibt der Einfluss der Abgasrückführung auf den eigentlichen Verbrennungsvorgang somit vergleichsweise gering.
Im Vergleich zu herkömmlichen Vereisungsschutzsystemen weist die Erfindung bei geringeren Kosten und geringerem konstruktivem Aufwand einen verbesserten Wirkungsgrad auf. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann in der Abgasrückführungsleitung ein Filter angeordnet sein. Hierbei handelt es sich beispielsweise um einen Partikelfilter, der zum Ausfiltern von Ruß- bzw. Kleinstpartikeln geeignet ist und dadurch Ablagerungen derartiger Rußpartikel an Teilen des Verdichters bzw. der Gasturbine verhindert. Derartige Partikelfilter zur Reinigung von Abgasen sind heutzutage weit verbreitet und langjährig erprobt, wodurch eine zuverlässige Filterung des abgezweigten Teilabgasstromes gewährleistet wird.
Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung kann in der Abgasrückführleitung ein Steuerventil zur Steuerung der Abgasrückführung angeordnet sein. Dies ermöglicht eine bedarfsgerechte Regelung der zugeführten Abgasmenge und dadurch einen optimalen Wirkungsgrad der Gasturbine. Vorzugsweise wird das Steuerventil und damit eine rückgeführte Abgasmenge über eine Steuereinrichtung in Abhängigkeit zumindest der Umgebungstemperatur und/oderder relativen Feuchte der Umgebungsluft und/oder der Temperatur des entnommenen Abgases und/oder eines Betriebszustandes der Gasturbine und/oder einer Stellung der Einlassleitschaufeln des Verdichters gesteuert. Hierdurch kann auf etwaige ungünstige Witterungsbedingungen, wie beispielsweise hohe Luftfeuchtigkeit und geringe Temperaturen bedarfsgerecht reagiert werden, wodurch die Gasturbine effizient vor einer Vereisung und damit vor einer Beschädigung geschützt werden kann. Gleichzeitig lässt sich durch die Steuerung des Steuerventils in Abhängigkeit der genannten Parameter der Wirkungsgrad der
Gasturbine verbessern.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform kann am Zuführungsende der Abgasrückführleitung eine Zumischeinrichtung zum Zumischen der rückgeführten Abgase zu dem dem Verdichter zugeführten Gasstrom angeordnet sein. Die Zumischeinrichtung gewährleistet dabei eine bedarfsgerechte, beispielsweise gleichmäßige, Zumischung der rückgeführten Abgase und dadurch ein für den Wirkungsgrad bzw. die Lebensdauer der Gasturbine besonders günstiges Mischverhältnis zwischen rückgeführtem Abgas und Frischluftstrom.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung können in der Abgasrückführungsleitung stromab des Filters ein Gebläse und/oder eine Strahlpumpe zum Antreiben des rückgeführten Abgasstromes angeordnet sein. Derartige Antriebseinrichtungen erhöhen oder vermindern eine Geschwindigkeit des rückgeführten Abgases, so dass die rückgeführte Abgasmenge stets optimal an den Bedarf der Gasturbine angepasst werden kann. Vorzugsweise ist/sind das Gebläse und/oder die Strahlpumpe mit einer Kontrolleinrichtung zur Überwachung des rückgeführten Abgasvolumens und/oder der Strömungsgeschwindigkeit des rückgeführten Abgasstromes verbunden, welche das Gebläse und/oder die Strahlpumpe zumindest in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur und/oder der relativen Feuchte der Umgebungsluft und/oder einer Temperatur des entnommenen Abgas und/oder des Betriebszustandes der Gasturbine und/oder der Stellung der Einlassleitschaufeln des Verdichters steuert. Ähnlich der Steuereinrichtung für die Steuerventile ermöglicht die Kontrolleinrichtung die individuelle Einstellung des Gebläses bzw. der Strahlpumpe auf die jeweiligen Anforderungen der Gasturbine, so dass eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades der Gasturbine möglich ist.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Gasturbinenanlage, die mit einer erfindungsgemäßen Abgasrückführung ausgestattet ist,
Fig. 2 eine Darstellung wie in Fig. 1 , jedoch bei einer anderen Ausführungsform der Abgasrückführung,
Fig. 3 eine Darstellung wie in Fig. 1 , jedoch bei einer weiteren Ausführungsvariante der Abgasrückführung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Entsprechend den Fig. 1 bis 3 umfasst eine stationäre Gasturbinenanlage u.a. einen Verdichter 2, eine Brennkammer 21 und eine Gasturbine 3. Eine derartige stationäre Gasturbine 3 dient in der Regel der Stromproduktion. Im Betrieb der Gasturbinenanlage wird dem Verdichter 2 ein Gas-/Luftstrom 4 zugeführt, der hier durch einen Pfeil repräsentiert ist. Der Gasstrom 4 wird im Verdichter 2 komprimiert und gelangt anschließend zur Brennkammer 21. Der komprimierte und in der Brennkammer 21 erhitzte Gasstrom bzw. die heißen Verbrennungsabgase der Brennkammer 21 werden dann in der Gasturbine 3 entspannt. Aus der Gasturbine 3 treten dann entsprechend einem Pfeil entspannte heiße Abgase in einen Abgasstrang 8 aus. Erfindungsgemäß ist die Gasturbine 3 bzw. die Gasturbinenanlage mit einer Vorrichtung 1 ausgestattet, welche es ermöglicht, den dem Verdichter 2 zugeführten Gasstrom 4 vor dem Eintritt in den Verdichter 2 zu erwärmen. Die Vorrichtung 1 umfasst hierzu im wesentlichen eine Abgasrückführungsleitung 5, welche einenends an einem Zuführungsende 6 eingangsseitig mit dem Verdichter 2 verbunden ist und anderenends mit einem Entnahmeende 7 mit dem Abgasstrang 8 der Gasturbine 3 verbunden ist. Erfindungsgemäß ist dabei das Entnahmeende 7 im Bereich zwischen einer Ausgangsseite der Gasturbine 3 und einem stromab gelegenen Abgaskamin 9 mit dem Abgasstrang 8 der Gasturbine 3 verbunden. Prinzipiell ist somit eine beliebige Anordnung des Entnahmeendes 7 im vorgenannten Bereich denkbar, so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 individuell an einen jeweiligen zur Verfügung stehenden Bauraum bzw. an individuelle konstruktive Erfordernisse angepasst werden kann.
Entsprechend den Fig. 1 bis 3 ist in der Abgasrückführungsleitung 5 ein Riter 10 angeordnet. Dieser Filter 10 dient zum Herausfiltern von Partikeln, wie beispielsweise Rußteilchen, welche sich ohne den Filter auf Teilen der Gasturbinenanlage, insbesondere des Verdichters 2, ablagern können und dadurch Beschädigungen an genannten Bauteilen bewirken können.
Stromab des Filters 10 ist in der Abgasrückführungsleitung 5 ein Gebläse 11 (vergleiche Fig. 1 und 2) oder eine Strahlpumpe 12 (vergleiche Fig. 3) mit Gebläse 11 zum Antreiben des rückgeführten Abgasstroms angeordnet. Das Gebläse 11 und/oder die Strahlpumpe 12 ermöglichen eine gezielte Einflussnahme auf eine Strömungsgeschwindigkeit und damit auch auf eine rückgeführte Abgasmenge, so dass sowohl die Geschwindigkeit als auch die rückgeführte Abgasmenge optimal an aktuelle Anforderungen anpassbar sind. Da insbesondere eine zu geringe oder zu große rückgeführte Abgasmenge den Wirkungsgrad der Gasturbine 3 negativ beeinträchtigen, kann mit dem Gebläse 11 und/oder mit der Strahlpumpe 12 die Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstromes bzw. die rückgeführte Abgasmenge optimal eingestellt werden und dadurch der Wirkungsgrad der Gasturbine 3 bzw. der Gasturbinenanlage verbessert werden.
Um beispielsweise in einem Notfall die Abgasrückführung schlagartig zu unterbrechen, ist in der Abgasrückführungsleitung 5 ein Sperrventil 13 angeordnet, welches im wesentlichen zwischen einer Auf- und Zustellung verstellbar ist.
Entsprechend Fig. 1 ist zusätzlich zum Sperrventil 13 ein Steuerventil 14 in der Abgasrückführungsleitung 5 angeordnet, welches zur Steuerung der Abgasrückführung ausgebildet ist. Im Unterschied zum Sperrventil 13 ermöglicht das Steuerventil 14 auch eine beliebige Drosselung der Abgasrückführung. Gesteuert wird das Steuerventil 14 von einer damit verbundenen Steuereinrichtung 15, welche die Abgasrückfuhrung in Abhängigkeit zumindest eines der nachfolgenden Parameter steuert: Umgebungstemperatur, relative Feuchte der Umgebungsluft, Temperatur des entnommenen Abgases, Betriebszustand der Gasturbine, Stellung der
Einlassleitschaufeln des Verdichters. Die Steuereinrichtung 15 ist dazu über Steuerleitungen 22 mit dem Abgasstrang 8 und/oder mit dem Verdichter 2 und/oder mit einer Wetterstation 23 verbunden, welche zumindest einen der vorgenannten Witterungsparameter ermittelt. Zur Ermittlung der vorgenannten Parameter sind entsprechende und nicht näher bezeichnete Sensoren, beispielsweise ein Temperatursensor, im Bereich des Abgasstranges 8 bzw. des Abgaskamins 9 angeordnet.
Am Zuführungsende 6 der Abgasrückführungsleitung 5 ist eine Zumischeinrichtung 16 angeordnet, welche zum Zumischen der rückgeführten Abgase zu dem dem Verdichter 2 zugeführten Gasstrom 4 ausgebildet ist. Die Zumischeinrichtung 16 gewährleistet eine bedarfsgerechte, beispielsweise gleichmäßige Zumischung der rückgeführten Abgase zum Gasstrom 4. Beispielsweise kann dadurch eine hinreichende Vorwärmung des Gasstroms 4 mit einem möglichst kleinen rückgeführten Abgasstrom erreicht werden, wodurch ein verbesserter Wirkungsgrad der Gasturbine 3 bzw. der Gasturbinenanlage erzielbar ist. Die Zumischeinrichtung 16 ist dazu am Eintritt eines Frischgasstranges 17 und damit eingangsseitig des Verdichters 2 angeordnet. Zusätzlich können im Frischgasstrang 17 stromab der Zumischeinrichtung 16 ein zweites Filter 18 und/oder ein Schalldämpfer 19 angeordnet sein.
Entsprechend Fig. 2 ist das Gebläse 11 mit einer Kontrolleinrichtung 20 zur Überwachung des rückgeführten Abgasvolumens und/oder der Strömungsgeschwindigkeit des rückgeführten Abgasstromes verbunden.
Zusätzlich oder alternativ kann eine Kontrolleinrichtung 20 mit der Strahlpumpe 12 zur Überwachung des rückgeführten Abgasvolumens^bzw. der
Strömungsgeschwindigkeit des rückgeführten Abgasstromes verbunden sein (vergleiche Fig. 3).
Ähnlich der Steuereinrichtung 15 steuert die Kontrolleinrichtung 20 das Gebläse 11 und/oder die Strahlpumpe 12 in Abhängigkeit zumindest der Umgebungstemperatur und/oder der relativen Luftfeuchte und/oder der Temperatur des entnommenen Abgases und/oder des Betriebszustandes der Gasturbine 3 und/oder der Stellung der Einlassleitschaufeln des Verdichters 2. Zur Ermittlung der relevanten Daten ist die Kontrolleinrichtung 20 ähnlich der Steuereinrichtung 15 über entsprechende Steuerleitungen 22 mit den entsprechenden Sensoren, beispielsweise Temperatur-/Feuchtesensoren in der Wetterstation 23, verbunden. Grundsätzlich kann die Kontrolleinrichtung 20 in die Steuereinrichtung 15 integriert sein oder umgekehrt. Im folgenden soll kurz die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Abgasrückführung erläutert werden:
Um eine Eisbildung an den Leitschaufeln des Verdichters 2 bzw. an anderen eisgefährdeten Bauteilen der Gasturbinenanlage zu vermeiden, wird insbesondere bei kritischen Parametern, wie beispielsweise einer niedrigen Außentemperatur bei einer gleichzeitigen hohen relativen Feuchte, der dem Verdichter 2 zugeführte Gasstrom 4 vorgewärmt. Hierzu wird einem Abgasstrang 8 der Gasturbine 3 Abgas entnommen und eingangsseitig dem Verdichter 2 direkt oder indirekt wieder zugeführt. Dies ist im Hinblick auf eine herkömmliche Erwärmung des Gasstromes 4, beispielsweise über Wärmeübertrager oder Heizelemente, eine besonders kostengünstig und konstruktiv einfach zu realisierende Lösung. Die Entnahme des Abgases erfolgt dabei vorzugsweise im Bereich zwischen einer Ausgangsseite der Gasturbine 3 und einem stromab gelegenen Abgaskamin 9 im Abgasstrang 8, wobei der entnommene Abgasstrom vor der Rückführung einen Filter 10 durchströmt und dadurch gefiltert wird.
Gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen sind im Abgasrückführungskanal 5 ein Gebläse 11 und/oder eine Strahlpumpe 12 (vergleiche Fig. 3) angeordnet, wodurch der rückgeführte Abgasstrom angetrieben werden kann und wodurch gleichzeitig ein rückgeführtes Abgasvolumen und/oder eine Strömungsgeschwindigkeit des rückgeführten Abgasstromes reguliert werden kann/können. Zur Steuerung des Gebläses und/oder der Strahlpumpe 12 kann gemäß den Fig. 2 und 3 eine Kontrolleinrichtung 20 vorgesehen sein, welche eine Leistung des Gebläses 11 und/oder der Strahlpumpe 12 in Abhängigkeit zumindest eines der oben genannten Parameter steuern kann. Alternativ kann die rückgeführte Abgasmenge mittels eines Steuerventils 14 dosiert werden, welches über eine Steuereinrichtung 15 in Abhängigkeit ebenfalls zumindest eines der oben genannten Parameter gesteuert werden kann.
Zusammenfassend lassen sich die wesentlichen Merkmale der erfindungsgemäßen Lösung wie folgt charakterisieren:
Die Erfindung sieht eine Erwärmung eines einem Verdichter 2 einer stationären Gasturbine 3 zugeführten Gasstroms 4 vor, derart, dass einem Abgasstrang 8 der Gasturbine 3 Abgas entnommen und eingangsseitig den Verdichter 2 direkt oder indirekt wieder zugeführt wird (Abgasrückführung).
Im Vergleich zu herkömmlich eingesetzten Verfahren zur Erwärmung des Gasstromes 4, wie beispielsweise einem Heizelement und/oder einem Wärmeübertrager, kann auf derartige Zusatzelemente verzichtet werden, wodurch zum einen eine deutliche Kostenreduzierung realisieren werden kann und zum anderen die Gasturbinenanlage konstruktiv vereinfacht werden kann. Insbesondere durch den Wegfall zusätzlicher Heizelemente bzw. Wärmeübertrager kann der Wirkungsgrad der Gasturbine 3 gesteigert werden.
Bezugszeichenliste
Vorrichtung
Verdichter
Gasturbine
Gasstrom
Abgasrückführungsleitung
Zuführungsende
Entnahmeende
Abgasstrang
Abgaskamin
Filter
Gebläse
Strahlpumpe
Sperrventil
Steuerventil
Steuereinrichtung
Zumischeinrichtung
Frischgasstrang zweites Filter
Schalldämpfer
Kontrolleinrichtung
Brennkammer
Steuerleitungen
Wetterstation

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1 ) zum Erwärmen eines einem Verdichter einer stationären Gasturbine (3) zugeführten Gasstroms (4), wobei die Vorrichtung (1) eine Abgasrückführungsleitung (5) aufweist, welche einenends an einem Zuführungsende (6) eingangsseitig mit dem Verdichter (2) verbunden ist und anderenends an einem Entnahmeende (7) mit einem Abgasstrang (8) der Gasturbine (3) verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dad urch gekennzeich net, dass das Entnahmeende (7) im Bereich zwischen einer Ausgangsseite der QX3asturbine (3) und einem stromab liegenden Abgaskamin (9) mit dem Abgasstrang (8) der Gasturbine (3) verbunden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dad urch gekennzeich net, dass in der Abgasrückführungsleitung (5) ein Filter (10) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadu rch gekennzeichnet, dass in der Abgasrückführungsleitung (5) stromab des Filters (10) ein Gebläse (11) und/oder eine Strahlpumpe (12) zum Antreiben des rückgeführten Abgasstroms angeordnet ist/sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasrückführungsleitung (5) ein Sperrventil (13) zur Sperrung der Abgasrückführung vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasrückführungsleitung (5) ein Steuerventil (14) zur Steuerung der Abgasrückführung angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (15) zur Steuerung des Steuerventils (14) vorgesehen ist, welche die Abgasrückführung in Abhängigkeit zumindest eines der nachfolgenden Parameter steuert: - Umgebungstemperatur, - Relative Feuchte der Umgebungsluft, - Temperatur des entnommenen Abgases, - Betriebszustand der Gasturbine (3), - Stellung der Einlass-Leitschaufeln des Verdichters (2).
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass am Zuführungsende (6) der Abgasrückführungsleitung (5) eine Zumischeinrichtung (16) zum Zumischen der rückgeführten Abgase zu dem dem Verdichter (2) zugeführten Gasstrom (4) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (2) eingangsseitig einen Frischgasstrang (17) aufweist und dass die Zumischeinrichtung (16) am Eintritt des Frischgasstrangs (17) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dad u rch ge ke n nzeich net, dass zwischen dem Verdichter (2) und der Zumischeinrichtung (16) ein zweiter Filter (18) und/oder ein Schalldämpfer (19) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dad u rch ge ke n nzeich net, dass das Gebläse (11) und/oder die Strahlpumpe (12) mit einer Kontrolleinrichtung (20) zur Überwachung des rückgeführten Abgasvolumens und/oder der Strömungsgeschwindigkeit des rückgeführten Abgasstromes verbunden ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dad u rch ge ke n nzeich net, dass die Kontrolleinrichtung (20) zur Steuerung des Gebläses (11 ) und/oder der Strahlpumpe (12) in Abhängigkeit zumindest eines der nachfolgenden Parameter ausgebildet ist: - Umgebungstemperatur, - Relative Feuchte der Umgebungsluft, - Temperatur des entnommenen Abgases, - Betriebszustand der Gasturbine (3), - Stellung der Einlass-Leitschaufeln des Verdichters (2).
13. Verfahren zum Erwärmen eines einem Verdichter (2) einer stationären Gasturbine (3) zugeführten Gasstroms (4), wobei einem Abgasstrang (8) der Gasturbine (3) Abgas entnommen und eingangsseitig dem Verdichter (2) direkt oder indirekt wieder zugeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Entnahme des Abgases im Bereich zwischen einer Ausgangsseite der Gasturbine (3) und einem stromabgelegenen Abgaskamin (9) erfolgt.
15. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der entnommene Abgasstrom gefiltert wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die rückgeführte Abgasmenge und/oder eine Strömungsgeschwindigkeit des rückgeführten Abgasstromes in Abhängigkeit zumindest eines der nachfolgenden Parameter gesteuert wird/werden: - Umgebungstemperatur, - Relative Feuchte der Umgebungsluft, - Temperatur des entnommenen Abgases, - Betriebszustand der Gasturbine (3), - Stellung der Einlass-Leitschaufeln des Verdichters (2).
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