WO2010142560A1 - Mischelement für den ansaugstrom von gasturbinen - Google Patents

Mischelement für den ansaugstrom von gasturbinen Download PDF

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WO2010142560A1
WO2010142560A1 PCT/EP2010/057584 EP2010057584W WO2010142560A1 WO 2010142560 A1 WO2010142560 A1 WO 2010142560A1 EP 2010057584 W EP2010057584 W EP 2010057584W WO 2010142560 A1 WO2010142560 A1 WO 2010142560A1
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WO
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flow
intake air
regions
air
recirculated exhaust
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PCT/EP2010/057584
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French (fr)
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Alexander Zagorskiy
Marcel Rieker
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GE Vernova GmbH
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Alstom Technology AG
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    • 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
    • F02C1/002—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid using an auxiliary fluid
    • F02C1/005—Gas-turbine plants characterised by the use of hot gases or unheated pressurised gases, as the working fluid using an auxiliary fluid being recirculated
    • 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
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a device for mixing recirculated exhaust gases of a gas turbine with fresh air before entering a compressor of the gas turbine. Furthermore, the invention relates to a method for operating a gas turbine using such a device.
  • the recirculation of exhaust gases is a technology that can basically be used for a wide variety of purposes in gas turbines. For example, for the control of the emission, for the reduction of the exhaust gas volume for carbon dioxide deposition, etc.
  • a substantial portion of the exhaust gas is diverted from the entire exhaust stream and will normally, after cooling and if necessary after cleaning supplied to the input mass flow of the turbine and the compressor of the turbine, wherein the recirculated exhaust gas flow is mixed with Irish air, and this mixture is then supplied to the compressor.
  • EP-AI 484 102 describes a process in which flue gas is branched off at the outlet of the turbine, optionally passed through a condenser, and then added to the input air flow of the compressor.
  • the separation of the carbon dioxide takes place in the process proposed in this document before the entry of the compressed gases into the combustion chamber, either immediately before or in an intermediate stage of the compressor.
  • From WO-A-2005/064232 is a method in connection with a sequential Burning known, in which also a part of the flue gas is branched off at the outlet of the turbine, and the input mass flow of the compressor is in turn supplied.
  • the separation of the carbon dioxide in a partially compressed air flow which is branched off in a compressor intermediate stage and the second combustion chamber is supplied instead.
  • WO 2006/018389 likewise discloses a method in which flue gases leaving the turbine are recirculated to the inlet of the compressor.
  • the separator for the carbon dioxide is arranged behind a first compression stage.
  • the recirculated exhaust gases are optimally mixed with the fresh air supplied.
  • a good mixing of the recirculated exhaust gases with the intake air is necessary. Since the residual oxygen content of the exhaust gases is too small to allow complete combustion in the power plant, insufficient mixing with the intake air results locally in incomplete combustion, high carbon monoxide and UHC unburned hydrocarbon emissions, and in the undiluted fresh air region, locally high combustion temperatures with potentially high NOx emissions.
  • Areas are formed, a first area (or better, a group of first
  • the first regions and the second regions are substantially separated from each other at least in a certain volume portion.
  • the two areas open downstream in a mixing zone, where the two air streams are mixed together before they are fed to the compressor.
  • first regions are formed which are at least partially substantially inaccessible to fresh intake air and which are exposed to recirculated exhaust air (typically via a recirculation line).
  • second areas are formed, which are at least partially substantially inaccessible to the recirculated exhaust air and which fresher
  • the first regions and the second regions open downstream into a mixing zone arranged in a second section where fresh intake air and recirculated exhaust air mix with each other and the mixed air stream is then further at least indirectly supplied to the compressor.
  • the pairs of partitions forming the first regions are essentially closed by first cover walls in relation to an inflow of fresh intake air, and in the wall of the flow passage, inlet openings for recirculated exhaust air opening into the first regions are provided.
  • the pairs of partitions forming the second regions are substantially closed by second cover walls in relation to an inflow of recirculated exhaust air.
  • the first areas serve to supply the recirculated exhaust gas into the flow area for fresh intake air, but first without mixing with the fresh intake air.
  • First and second areas then open together downstream of this merge area (first section) into the mixing zone, since the partitions stop in front of the mixing zone.
  • the first regions and the second regions are arranged alternately, and a respective partition wall separates a first region from a second region.
  • the regions may, for example, be arranged, as it were, in a star-shaped alternating manner about a central axis, but they may also be arranged next to one another in a direction perpendicular to the flow direction of the intake air flow and, as it were, adjacent.
  • all partitions are arranged offset parallel to each other next to each other, that is, the first and second regions are arranged alternately parallel to each other.
  • the first cover walls are arranged substantially perpendicular to the flow direction of the fresh intake air at this point, but it is also possible to rounded off the first cover walls in flow-favorable form and / or tapering or the like.
  • the flow area at the inlet openings for recirculated exhaust air can be regulated, for example by flaps and / or slide.
  • the flow cross section at the inlet openings for fresh intake air can be controlled, again for example by flaps and / or slide.
  • a further preferred embodiment is characterized in that turbulators are arranged in the region of and / or at or adjacent to the mixing zone trailing edge of at least one partition, which support the mixing of the two air streams.
  • the turbulators may be sections of the partition wall material that are preferably bent out of each other from the plane of the partition walls.
  • the partitions may also at least partially passage openings (simple holes, slots, etc.), which connect the first areas with the second areas. These through-holes can serve to mix the two air streams to a certain extent before entering the mixing zone with each other.
  • turbulators may also be arranged in the region of the mixing zone and / or in one of the regions on the flow-limiting walls.
  • the fresh intake air is deflected in the region of the device, that is to say the device is arranged in a deflection region of the intake tract.
  • the fresh intake air in the device is preferably deflected by an angle in the range of 60-100 °, in particular preferably from a horizontal flow direction in a vertical downward flow direction typically to the intake air collector of the compressor.
  • the recirculated exhaust gas air is then preferably fed into the device in a direction substantially corresponding to the exit direction of the mixed airflow downstream of the mixing zone.
  • the device preferably has controllable guide elements in order to influence or regulate the flow behavior of fresh intake air and / or recirculated exhaust gas air and / or of the mixed air flow.
  • the device may additionally have elements for introducing water, preferably in the form of droplets and / or water vapor, into the intake air stream to allow for an increase in gas turbine power at peak load.
  • the present invention relates to the use of a device as above has been described, for mixing fresh intake air with recirculated exhaust gas in the intake of a gas turbine, preferably a gas turbine with carbon dioxide deposition, wherein the device is preferably used downstream of a muffler.
  • the device is used in the transition of the intake air flow from a horizontal flow direction in a vertical flow direction for supply to the intake air collector. Further embodiments are described in the dependent claims.
  • Figure 1 shows a schematic representation of the essential elements of a gas turbine with recirculation of the exhaust stream at the input of the compressor.
  • Figure 2 is a schematic representation of the intake of such a gas turbine.
  • FIG. 3 is a perspective view of a single unincorporated mixing element in the region of the inflow of fresh air;
  • Fig. 4 is a plan view of a mixing element from the direction of inflow of
  • FIG. 5 shows a lateral section of such a mixing device.
  • FIG. 1 shows schematically the structure and essential elements of a gas turbine plant with exhaust gas recirculation in a combined cycle power plant.
  • the fresh ambient air 44 is supplied via an intake 41 to the compressor 46.
  • a major portion of the compressed air is supplied to the combustion chamber 43, a small portion 51 is supplied directly as cooling air of the turbine 45.
  • the air streams are relaxed in the turbine 45 under operating power, and thus driven a usually arranged on a common shaft generator.
  • the exhaust gases 52 are first supplied to a heat recovery steam generator 47 and used to this heat recovery steam boiler supplied water 58 in countercurrent to convert steam and this steam either other processes or to relax in steam turbines.
  • the exhaust gases normally have a temperature in the range of 80 to 140 degrees Celsius. Subsequently, either the entirety or part of these exhaust gases is further cooled in a special cooler 49, in which case this cooler is designed as evaporative cooler with a water cycle, ie a pump 53, a cooler 55 and an evaporation section 56 and an outlet 54. Behind this Special cooler 49, which may be a contact cooler or an evaporative cooler, the exhaust gases are at a temperature typically about 10 degrees above the ambient temperature.
  • FIG. 2 shows a typical intake air tract for such a gas turbine.
  • the inlet air 44 typically first enters an air filter 31, in front of which cover blades 32 are normally arranged. Downstream of this air filter follows a first flow channel 39, in which a muffler 33 may be arranged.
  • the fresh intake air flow 13 behind the muffler initially flows in a further horizontal section 38 of the intake tract, is subsequently deflected in a deflection region 34 in the vertical direction, then flows in a vertical section 37 of the intake manifold, and is about to enter the compressor 46th in the intake air collector (bell-mouth) again deflected into the horizontal.
  • the mixing device proposed here can be arranged at different locations within the intake tract.
  • the mixing unit 36 is arranged in the deflection region 34, as indicated in FIG. 2 by the dotted line.
  • FIG. 3 shows a perspective view of such a mixing unit 36.
  • the viewing direction is to some extent from the direction of the fresh intake air flow immediately behind the muffler 13.
  • the mixing unit has laterally side walls 22, and is open to the front for the entry of the fresh intake air flow and down open to the exit of the mixed air stream 15.
  • the mixing unit has a plurality of vertically arranged, parallel dividing walls 20.
  • volume areas formed between these partitions are alternately limited either with respect to the entry of the fresh intake air flow 13 through top walls 17 or for the entry of recirculation flow 11 through cover walls 18.
  • the space portions 19 are open at the top and are acted upon by the recirculation flow 11 accordingly. For the entry of fresh intake air, however, they are closed by the partitions 17.
  • the room sections 21 in turn are accessible via the inlet openings 10 for the fresh intake air stream 13, but are closed at the top by the cover walls 18 and accordingly no recirculation flow 11 can enter from above.
  • the above-arranged inlet openings 12 for the recirculated exhaust gas can be partially opened by check valves 16 according to the needs partially closed or completely closed.
  • Both room sections 19 and 21 are now open at the bottom and open into a mixing zone 24.
  • the fresh intake air stream of fresh air enters the regions 21 horizontally through the inlet openings 10, is deflected in the vertical direction as a result of the rounded rear walls 23 and then flows into the below arranged mixing zone 24, where downstream of the trailing edge 60, the partitions 20, the two air streams 11 and 13 no longer separate from each other.
  • swirling elements (turbulators) 14 are arranged at the lower edges of the partitions 20, which ensure that the exhaust air flowing in from above through the space sections 19 and the fresh air guided through the space sections 21 Mixing area 24 are optimally mixed and then downwards as effectively mixed airflow 15 can escape.
  • the ratio between exhaust air 11 and fresh air 13 over the already mentioned above 16 flaps are controlled. It is also possible to design these flaps 16 as a slider, and it is also possible to arrange such a control even further upstream or else downstream. It is also possible to provide a control at the entrance to the openings 10.
  • the turbulators 14 described may, as shown in this embodiment, be formed as sheet metal sections, which alternately to a resp. to the other side are bent (see in particular Figures 3 and 4). But they can also be of a different construction, and they may also be additionally or alternatively arranged at other locations, such as not only at the trailing edge 60 of the walls 20 but also on these walls laterally, on the rear wall 23, in the wall regions of Mixing zone 24 etc.
  • baffles may be provided in the various areas (i.e., in the space portions 19 and / or 21 and / or in the mixing zone 24) to reduce the hydraulic losses through the mixing device.
  • the partitions 20 are arranged so that the respective space portions 19, respectively. 21 have substantially the same dimensions.
  • the space portions 19 are each configured with approximately the same flow cross-section for the recirculation 11 and the space portions 21 each configured with approximately the same flow cross-section for the air flow 13.
  • the flow cross-section of the space portions 21, that is, for the fresh intake air flow is greater in this Beipsiel than that of the space sections 19, that is, for the recirculated exhaust air, typically up to about twice as large.
  • Turbulator 39 Flow channel behind mixed air flow Air filter
  • Control flap 41 inflow channel, intake tract

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Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur Vermischung von frischer Ansaugluft (13, 44) mit rezirkulierter Abgasluft (11) in einer Gasturbine. Die Vorrichtung ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Abschnitt im Strömungskanal erste Bereiche (19) ausgebildet sind, welche wenigstens bereichsweise im wesentlichen für die frische Ansaugluft (13, 44) nicht zugänglich sind und welche mit rezirkulierter Abgasluft (11) beaufschlagt sind, und dass zweite Bereiche (21) ausgebildet sind, welche wenigstens bereichsweise im wesentlichen für die rezirkulierte Abgasluft (11) nicht zugänglich sind und welche von frischer Ansaugluft (13, 44) durchströmt werden, und dass die ersten Bereiche (19) und die zweiten Bereiche (21) stromab in eine Mischzone (24) münden, wo frische Ansaugluft (13) und rezirkulierte Abgasluft (11) vermischt werden und der vermischte Luftstrom (15) weiter wenigstens mittelbar dem Kompressor (46) zugeführt wird.

Description

TITEL
Mischelement für den Ansaugstrom von Gasturbinen
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermischung von zurückgeführten Abgasen einer Gasturbine mit Frischluft vor dem Eintritt in einen Kompressor der Gasturbine. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine unter Verwendung einer solchen Vorrichtung.
STAND DER TECHNIK Um die Leistungsverluste und Wirkungsgradverluste von Kraftwerken mit Kohlendioxid- Abscheidung zu reduzieren, sind in der Literatur verschiedene Möglichkeiten, den Kohlendioxid-Partialdruck vor der Abscheidung zu erhöhen, vorgeschlagen worden. Die Rezirkulation von Abgasen ist eine Technologie, welche grundsätzlich für unterschiedlichste Zwecke bei Gasturbinen eingesetzt werden kann. So beispielsweise für die Kontrolle der Emission, für die Reduktion des Abgasvolumens für die Kohlendioxid- Abscheidung etc. Bei der Rezirkulation von Abgasen bei einer Gasturbine wird ein wesentlicher Anteil des Abgases aus dem gesamten Abgasstrom abgezweigt und wird normalerweise, nach Kühlung und falls erforderlich nach Reinigung, dem Eingangsmassenstrom der Turbine respektive dem Kompressor der Turbine wieder zugeführt, wobei der rückgeführte Abgasstrom mit Irischer Luft vermischt wird, und diese Mischung anschließend dem Kompressor zugeführt wird.
So beschreibt beispielsweise die EP-A-I 484 102 einen Prozess, bei welchem Rauchgas beim Ausgang der Turbine abgezweigt wird, gegebenenfalls über einen Kondensator geführt wird, und anschließend dem Eingangsluftstrom des Kompressors zugemischt wird. Die Abtrennung des Kohlendioxids findet beim in diesem Dokument vorgeschlagenen Prozess vor dem Eintritt der komprimierten Gase in die Brennkammer statt, entweder unmittelbar davor oder in einer Zwischenstufe des Kompressors. Aus der WO-A-2005/064232 ist ein Verfahren im Zusammenhang mit einer sequenziellen Verbrennung bekannt, bei welchem ebenfalls ein Teil des Rauchgases beim Ausgang der Turbine abgezweigt wird, und dem Eingangsmassenstrom des Kompressors wiederum zugeführt wird. Hier findet die Abtrennung des Kohlendioxids in einem teil-verdichteten Luftstrom, welcher in einer Kompressor-Zwischenstufe abgezweigt wird und der zweiten Brennkammer zugeführt wird, statt.
Aus der WO 2006/018389 ist ebenfalls ein Verfahren bekannt, bei welchem aus der Turbine austretende Rauchgase zum Eingang des Kompressors rezirkuliert werden. Hier ist der Separator für das Kohlendioxid hinter einer ersten Verdichtungsstufe angeordnet. Diese wie auch andere bekannte Veröffentlichungen beschäftigen sich mit dem theoretischen Kraftwerksprozess und vernachlässigen dabei praktische Probleme, die bei der Realisierung eines solchen Kraftwerks im Wege stehen. Insbesondere machen sie keine Angaben über Wege einer effektiven Zumischung der rezirkulierten Abgase in die Ansaugluft.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Für eine effiziente und unproblematische Zuführung des Luftstroms der zurückgeführten Abgase ist es wichtig, dass die zurückgeführten Abgase optimal mit der frisch zugeführten Luft vermischt werden. Insbesondere bei einem hohen Rezirkulationsanteil (typischerweise größer als 30 %) ist eine gute Vermischung der rezirkulierten Abgase mit der Ansaugluft notwendig. Da der Restsauerstoffgehalt der Abgase zu klein ist, um eine vollständige Verbrennung im Kraftwerk zu erlauben, führt eine ungenügende Vermischung mit der Ansaugluft lokal zu unvollständiger Verbrennung, zu hohen Kohlenmonoxid und UHC (unburned hydrocarbon) Emissionen und im Bereich mit unverdünnter Frischluft zu lokal hohen Verbrennungstemperaturen mit potentiell hohen NOx Emissionen. Da die rezirkulierten Abgase typischerweise nicht auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden, sondern 10-200C wärmer sind als die frische Ansaugluft, führt eine ungenügende Vermischung bei Gasturbinen außerdem zu kalten und warmen Strähnen in der Kompressoransaugluft. Diese reduzieren die Pumpgrenze und beeinträchtigen die Betriebssicherheit. Um die Leistungs- und Wirkungsgradverluste durch Rezirkulation zu minimieren, ist außerdem der Druckverlust bei der Zumischung der rezirkulierten Abgase beziehungsweise durch Einbauten zur Zumischung zu minimieren. Entsprechend müssen also spezielle Vorrichtungen im Ansaugluftpfad installiert werden, um eine optimale Mischung zwischen der frischen Luft und dem Abgas zu gewährleisten. Die Gestaltung solcher Vorrichtungen muss insbesondere die zwei folgenden Haupterfordernisse erfüllen:
1. Es muss beim Ausgang der Mischvorrichtung eine genügend homogene Verteilung der Gastemperatur und der Sauerstoffkonzentration in der Mischung erreicht werden, um eine stabile Betriebsweise des Kompressors und des
Verbrennungssystems der Gasturbine gewährleisten zu können;
2. Druckverluste in den Pfaden der Frischluft und der Abgasluft aufgrund einer solchen Vorrichtung müssen so gering sein wie möglich, um die mit einer solchen Vermischung verbundenen Leistungsverluste der Gasturbine so gering zu halten wie möglich.
Entsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur
Vermischung von frischer Ansaugluft mit rezirkulierter Abgasluft in einer Gasturbine zur
Verfügung zu stellen, welche beide diese Kriterien erfüllen kann.
Die hier vorgeschlagene Vorrichtung ist zu diesem Zweck dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Abschnitt der Vorrichtung im Strömungskanal zwei voneinander getrennte
Bereiche ausgebildet sind, ein erster Bereich (oder besser eine Gruppe von ersten
Bereichen) für die rezirkulierte Abgasluft und ein zweiter Bereich (oder besser eine
Gruppe von zweiten Bereichen) für die frische Ansaugluft. Die ersten Bereiche und die zweiten Bereiche sind wenigstens in einem gewissen Volumenabschnitt voneinander im wesentlichen getrennt. Die beiden Bereiche münden stromab in eine Mischzone, wo die beiden Luftströme miteinander vermischt werden bevor sie dem Kompressor zugeführt werden.
Spezifisch sind erste Bereiche ausgebildet, welche wenigstens bereichsweise im wesentlichen für die frische Ansaugluft nicht zugänglich sind und welche mit rezirkulierter Abgasluft beaufschlagt sind (typischerweise über eine Rezirkulationsleitung).
Zudem sind zweite Bereiche ausgebildet, welche wenigstens bereichsweise im wesentlichen für die rezirkulierte Abgasluft nicht zugänglich sind und welche von frischer
Ansaugluft durchströmt werden.
Die ersten Bereiche und die zweiten Bereiche münden stromab in eine in einem zweiten Abschnitt angeordnete Mischzone, wo frische Ansaugluft und rezirkulierte Abgasluft sich miteinander vermischen und der vermischte Luftstrom wird anschließend weiter wenigstens mittelbar dem Kompressor zugeführt.
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist im ersten Abschnitt des Strömungskanals eine Mehrzahl von vorzugsweise im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung der frischen Ansaugluft ausgerichtete Trennwände angeordnet, welche die ersten Bereiche von den zweiten Bereichen trennen. Die die ersten Bereiche bildenden Paare von Trennwänden sind durch erste Deckwände gegenüber einem einströmen von frischer Ansaugluft im wesentlichen verschlossen und in der Wandung des Strömungskanals sind in die ersten Bereiche mündende Eintrittsöffnungen für rezirkulierte Abgasluft vorgesehen. Die die zweiten Bereiche bildenden Paare von Trennwänden sind durch zweite Deckwände gegenüber einem einströmen von rezirkulierter Abgasluft im wesentlichen verschlossen. Mit anderen Worten wird gewissermaßen in der Vorrichtung der Strömungsquerschnitt für frische Ansaugluft durch die gewissermassen scheibenartigen ersten Bereiche aufgetrennt und kann dann nur noch durch die zweiten Bereiche strömen. Die ersten Bereiche hingegen dienen der Zuführung der rezirkulierten Abgasluft in den Strömungsquerschnitt für frische Ansaugluft, jedoch zunächst ohne mit der frischen Ansaugluft zu vermischen. Erste und zweite Bereiche münden dann gemeinsam stromab dieses Zusammenführungsbereiches (erster Abschnitt) in die Mischzone, da vor der Mischzone die Trennwände aufhören.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die ersten Bereiche und die zweiten Bereiche alternierend angeordnet, und jeweils eine Trennwand trennt einen ersten Bereich von einem zweiten Bereich. Die Bereiche können dabei zum Beispiel gewissermassen sternförmig alternierend um eine zentrale Achse angeordnet sein, sie können aber auch in einer Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung des Ansaugluftstroms nebeneinander versetzt und gewissermaßen benachbart angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind alle Trennwände parallel versetzt nebeneinander angeordnet, das heißt die ersten und zweiten Bereiche sind alternierend parallel nebeneinander angeordnet. Vorzugsweise sind dabei die ersten Deckwände im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung der frischen Ansaugluft an dieser Stelle angeordnet, es ist aber auch möglich, die ersten Deckwände in strömungsgünstiger Form abgerundet und/oder zulaufend auszubilden oder ähnliches. Vorzugsweise kann der Durchflussquerschnitt bei den Eintrittsöffnungen für rezirkulierte Abgasluft geregelt werden, so beispielsweise durch Klappen und/oder Schieber. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der Durchflussquerschnitt bei den Eintrittsöffnungen für frische Ansaugluft geregelt werden kann, wiederum beispielsweise durch Klappen und/oder Schieber. Auch eine Regelung außerhalb der Vorrichtung ist denkbar, um das relative Verhältnis von frischer Ansaugluft und rezirkulierter Abgasluft einzustellen. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich von und/oder oder an der an die Mischzone grenzenden Abströmkante wenigstens einer Trennwand Turbulatoren angeordnet sind, welche die Vermischung der beiden Luftströme unterstützen. Bei den Turbulatoren kann es sich beispielsweise um aus der Ebene der Trennwände vorzugsweise wechselseitig herausgebogene Abschnitte des Trennwandmaterials handeln.
Die Trennwände können zudem wenigstens bereichsweise Durchgangsöffnungen (einfache Bohrungen, Schlitze etc.) aufweisen, welche die ersten Bereiche mit den zweiten Bereichen verbinden. Diese Durchgangsöffnungen können dazu dienen, die beiden Luftströme in einem gewissen Umfang bereits vor dem Eintritt in die Mischzone miteinander zu vermischen.
Vorzugsweise können zudem im Bereich der Mischzone und/oder in einem der Bereiche an den die Strömung begrenzenden Wänden Turbulatoren angeordnet sein. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird im Bereich der Vorrichtung die frische Ansaugluft umgelenkt, das heißt die Vorrichtung ist in einem Umlenkbereich des Ansaugtrakts angeordnet. Dabei wird die frische Ansaugluft in der Vorrichtung vorzugsweise um einen Winkel im Bereich von 60-100° umgelenkt, insbesondere vorzugsweise von einer horizontalen Strömungsrichtung in eine vertikale nach unten gerichtete Strömungsrichtung typischerweise zum Ansaugluft-Kollektor des Kompressors. Die rezirkulierte Abgasluft wird dann vorzugsweise in einer Richtung in die Vorrichtung geführt, welche im wesentlichen der Austrittsrichtung des vermischten Luftstroms stromab der Mischzone entspricht. Durch die Anordnung in einer Umlenkung der Strömungsrichtung werden die ohnehin typischerweise mit einer Umlenkung verbunden Verwirbelungen zur Vermischung mitgenutzt. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung vorzugsweise regelbare Leitelemente auf, um das Strömungsverhalten von frischer Ansaugluft und/oder rezirkulierter Abgasluft und/oder des vermischten Luftstroms zu beeinflussen respektive zu regeln. Bevorzugtermassen kann die Vorrichtung zusätzlich über Elemente zur Einbringung von Wasser, vorzugsweise in Form von Tröpfchen und/oder Wasserdampf, in den Ansaugluftstrom verfügen, um eine Leistungssteigerung der Gasturbine bei Spitzenlast zu ermöglichen. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer Vorrichtung, wie sie oben beschrieben wurde, zur Vermischung von frischer Ansaugluft mit rezirkulierter Abgasluft im Ansaugtrakt einer Gasturbine, vorzugsweise einer Gasturbine mit Kohlendioxid- Abscheidung, wobei die Vorrichtung vorzugsweise stromab eines Schalldämpfers eingesetzt wird. Bevorzugtermassen wird die Vorrichtung beim Übergang des Ansaugluftstroms von einer horizontalen Strömungsrichtung in eine vertikale Strömungsrichtung zur Zuführung zum Ansaugluft-Kollektor eingesetzt. Weitere Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, die lediglich zur Erläuterung dienen und nicht einschränkend auszulegen sind. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung die wesentlichen Elemente einer Gasturbine mit Rückführung des Abgasstromes am Eingang des Kompressors; Fig. 2 in schematischer Darstellung den Ansaugtrakt einer solchen Gasturbine;
Fig. 3 ein einzelnes nicht eingebautes Mischelement in perspektivischer Ansicht in den Bereich der Einströmung der Frischluft; Fig. 4 eine Aufsicht auf ein Mischelement aus der Richtung der Einströmung der
Frischluft; und Fig. 5 einen seitlichen Schnitt einer solchen Mischvorrichtung.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN Figur 1 zeigt in schematischer Weise den Aufbau und die wesentlichen Elemente einer Gasturbinenanlage mit Abgasrezirkulation in einem Kombikraftwerk. Die frische Umgebungsluft 44 wird über einen Ansaugtrakt 41 dem Kompressor 46 zugeführt. Nach der Verdichtung im Kompressor 46 wird ein Hauptanteil der verdichteten Luft der Brennkammer 43 zugeführt, ein geringer Teil 51 wird direkt als Kühlluft der Turbine 45 zugeführt. Die Luftströme werden in der Turbine 45 unter Arbeitsleistung entspannt, und damit ein üblicherweise auf einer gemeinsamen Welle angeordneter Generator angetrieben. Nach der Entspannung in der Turbine 45 werden die Abgase 52 zunächst einem Abhitzedampferzeuger 47 zugeführt und dazu verwendet, diesem Abhitzedampfkessel zugeführtes Wasser 58 im Gegenstrom in Dampf zu wandeln und diesen Dampf entweder anderen Prozessen zuzuführen oder in Dampfturbinen zu entspannen. Hinter diesem Abhitzedampfkessel haben die Abgase normalerweise eine Temperatur im Bereich von 80 bis 140 Grad Celsius. Anschliessend wird entweder die Gesamtheit oder ein Teil dieser Abgase in einem Spezialkühler 49 weitergekühlt, wobei in diesem Fall dieser Kühler als Verdampfungskühler mit einem Wasserkreislauf ausgeführt ist, d. h. eine Pumpe 53 umfasst, einen Kühler 55 sowie einen Verdampfungsabschnitt 56 und einen Auslass 54. Hinter diesem Spezialkühler 49, der ein Kontaktkühler oder ein Verdampfungskühler sein kann, befinden sich die Abgase auf einer Temperatur typischerweise ca. 10 Grad oberhalb der Temperatur der Umgebungstemperatur.
Anschliessend wird der gewünschte Anteil der gekühlten Abgase, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme eines Boosters 42, über eine Rezirkulationsleitung 48 wiederum dem Ansaugtrakt der Gasturbine zugeführt und dort mit der frischen Umgebungsluft 44 vermischt. In Figur 2 ist ein typischer Ansauglufttrakt für eine solche Gasturbine dargestellt. Die Eingangsluft 44 tritt typischerweise zunächst in einen Luftfilter 31 ein, vor welchem normalerweise Abdecklamellen 32 angeordnet sind. Stromab dieses Luftfilters folgt ein erster Strömungskanal 39, in welchem ein Schalldämpfer 33 angeordnet sein kann. Der frische Ansaugluftstrom 13 hinter dem Schalldämpfer strömt zunächst in einem weiteren horizontalen Abschnitt 38 des Ansaugtrakts, wird anschliessend in einem Umlenkbereich 34 in die vertikale Richtung umgelenkt, strömt dann in einem vertikalen Abschnitt 37 des Ansaugtrakts, und wird kurz vor dem Eintritt in den Kompressor 46 im Ansaugluftkollektor (bell-mouth) wiederum in die Horizontale umgelenkt. Grundsätzlich kann die hier vorgeschlagene Mischvorrichtung an verschiedenen Orten innerhalb des Ansaugtrakts angeordnet werden. So beispielsweise stromauf des Luftfilters, im Bereich 39, im Bereich 38, jeweils im horizontalen Abschnitt des Ansaugtrakts, oder aber auch im vertikalen Abschnitt 37 des Ansaugtrakts. Bevorzugtermassen, und wie in der Folge weiter beschrieben, ist das Mischaggregat 36 aber im Umlenkbereich 34 angeordnet, wie dies in Figur 2 durch die gepunktete Linie angedeutet ist. Dabei wird beispielsweise rezirkulierte Abgas als Rezirkulationsstrom 11 von oben, wie dies durch den Pfeil angedeutet ist, diesem Mischaggregat zugeführt, das heißt der Rezirkulationsstrom 11 wird in einer Richtung zugeführt, welche im wesentlichen der Strömungsrichtung der Mischung 15 entspricht. Figur 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines solchen Mischaggregats 36. Die Blickrichtung ist dabei gewissermassen aus der Richtung des frischen Ansaugluftstroms unmittelbar hinter dem Schalldämpfer 13. Das Mischaggregat verfügt seitlich über Seitenwände 22, und ist nach vorne offen für den Eintritt des frischen Ansaugluftstroms und nach unten offen für den Austritt des vermischten Luftstroms 15. Das Mischaggregat verfügt über eine Mehrzahl von vertikal angeordneten, parallel verlaufenden Trennwänden 20. Die zwischen diesen Trennwänden gebildeten Volumenbereiche sind alternierend entweder bezüglich des Eintritts des frischen Ansaugluftstroms 13 durch Deckwände 17 begrenzt oder für den Eintritt von Rezirkulationsstrom 11 durch Deckwände 18. So bilden sich alternierende Raumabschnitte 19 innerhalb des Gesamtvolumens des Mischaggregats 36 und Raumabschnitte 21 für den frischen Ansaugluftstrom.
Die Raumabschnitte 19 sind nach oben offen und werden entsprechend durch den Rezirkulationsstrom 11 beaufschlagt. Für den Eintritt von frischem Ansaugluftstrom hingegen sind sie durch die Trennwände 17 verschlossen. Die Raumabschnitte 21 wiederum sind über die Eintrittsöffnungen 10 für den frischen Ansaugluftstrom 13 zugänglich, sind aber nach oben durch die Deckwände 18 verschlossen und entsprechend kann von oben kein Rezirkulationsstrom 11 eintreten. Die oben angeordneten Eintrittsöffnungen 12 für die rezirkulierte Abgasluft können dabei durch Kontrollklappen 16 den Bedürfnissen entsprechend geöffnet teilgeschlossen oder vollständig geschlossen werden.
Beide Raumabschnitte 19 und 21 sind nun nach unten hin offen und münden in eine Mischzone 24. Mit anderen Worten tritt der frische Ansaugluftstrom aus Frischluft horizontal in die Bereiche 21 durch die Eintrittsöffnungen 10 ein, wird in die vertikale Richtung umgelenkt in Folge der abgerundeten Rückwände 23 und strömt dann in die unterhalb angeordnete Mischzone 24, dort wo stromab der Abströmkante 60 die Trennwände 20 die beiden Luftströme 11 und 13 nicht mehr voneinander trennen. Wie unter anderem auch aus den Figuren 4 und 5 ersichtlich sind an den unteren Kanten der Trennwände 20 Verwirbelungselemente (Turbulatoren) 14 angeordnet, welche dafür sorgen, dass die von oben durch die Raumabschnitte 19 einströmende Abgasluft und die durch die Raumabschnitte 21 geführte frische Luft im Mischbereich 24 optimal vermischt werden und anschliessend nach unten als effizient vermischter Luftstrom 15 austreten kann. Grundsätzlich kann das Verhältnis zwischen Abgasluft 11 und Frischluft 13 über die bereits oben erwähnten Klappen 16 kontrolliert werden. Es ist dabei auch möglich, diese Klappen 16 als Schieber auszugestalten, und es ist auch möglich, eine solche Regelung noch weiter stromauf oder aber auch weiter stromab anzuordnen. Ebenfalls ist es möglich, eine Regelung am Eingang bei den Öffnungen 10 vorzusehen. Die beschriebenen Turbulatoren 14 können, wie dies in diesem Ausführungsbeispiel dargestellt ist, als Blechabschnitte ausgebildet sein, welche alternierend zur einen resp. zur anderen Seite abgebogen sind (vgl. insbesondere Figuren 3 und 4). Sie können aber auch von anderer Bauweise sein, und sie können insbesondere auch zusätzlich oder alternativ an anderen Orten angeordnet sein, so beispielsweise nicht nur an der Abströmkante 60 der Wände 20 sondern auch an diesen Wänden seitlich, an der Rückwand 23, in den Wandungsbereichen der Mischzone 24 etc..
Ebenfalls können zusätzliche Leitbleche, gekrümmte Wandelemente, Gitter etc. in den verschiedenen Bereichen (d. h. in den Raumabschnitten 19 und/oder 21 und/oder in der Mischzone 24) vorgesehen werden, um die hydraulischen Verluste durch die Mischvorrichtung zu reduzieren.
Auch ist es möglich, in den Trennwänden 20 Durchgangsöffnungen vorzusehen, um bereits beim durchströmen der Bereiche 19 resp. 21 eine erste Vermischung resp. Verwirbelung zu gewährleisten. Im in den Figuren 3 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Trennwände 20 so angeordnet, dass die jeweiligen Raumabschnitte 19 resp. 21 im wesentlichen eine gleiche Dimensionierung aufweisen. Mit anderen Worten sind die Raumabschnitte 19 jeweils mit ungefähr gleichem Durchflussquerschnitt für den Rezirkulationsstrom 11 ausgestaltet und die Raumabschnitte 21 mit jeweils ungefähr gleichem Durchflussquerschnitt für den Luftstrom 13 ausgestaltet. Der Durchflussquerschnitt der Raumabschnitte 21, das heißt für den frischen Ansaugluftstrom, ist dabei in diesem Beipsiel größer als jener der Raumabschnitte 19, das heißt für die rezirkulierte Abgasluft, typischerweise bis zu circa doppelt so groß. Um insbesondere hinsichtlich der Einleitung in den Kompressor optimale Strömungsverhältnisse gewährleisten zu können, kann es von Vorteil sein, diese Abstände das heißt einerseits das Verhältnis der Durchflussquerschnitte der Abschnitten 19 und 21 aber auch die Gestaltung der Durchflussquerschnitte innerhalb der Abschnitte 19 respektive 21, zu optimieren, gegebenenfalls in Kombination mit einer gezielten Kontrolle des Eintritts durch die Öffnungen 10 resp. durch die Öffnungen 12. Das Verhältnis zwischen der Luft und dem Abgasmassenstrom kann durch den Booster resp. das Gebläse 42 kontrolliert werden. Wenn der Abgasmassenstrom durch das Mischelement verändert wird, so stellt sich der Frischluftstrom automatisch selber ein und dies in einer Weise, dass die volumetrische Strömungsgeschwindigkeit durch den bell- mouth ungefähr konstant gehalten wird.
BEZUGSZEICHENLISTE
Eintrittsöffnung für 34 Umlenkbereich
Ansaugluftstrom 35 Ansaugluft-Kollektor (bell-
Rezirkulationsstrom mouth)
Eintrittsöffnung für 36 Mischaggregat
Rezirkulationsstrom 37 vertikaler Abschnitt des frische Ansaugluft, Ansaugtrakts
Ansaugluftstrom unmittelbar 38 horizontaler Abschnitt des hinter Schalldämpfer Ansaugtrakts
Turbulator 39 Strömungskanal hinter vermischter Luftstrom Luftfilter
Kontrollklappe 41 Zuströmkanal, Ansaugtrakt
Deckwand, Trennwand 42 Booster für zwischen frischem Rezirkulationsstrom
Ansaugluftstrom 13 und 19 43 Brennkammer
Deckwand, Trennwand 44 Eingangsluft zwischen 45 Turbine
Rezirkulationsstrom 11 und 46 Kompressor
21 47 HRSG
Raumabschnitt für 48 Rezirkulationsleitung
Rezirkulationsstrom 49 Spezialkühler
Trennwand 50 komprimierter Luftstrom zur
Raumabschnitt für frischen Verbrennungskammer
Ansaugluftstrom 51 komprimierter Luftstrom zu
Seitenwand von 36 Turbine abgeschrägte Rückwand von 52 Abgase hinter Turbine
21 53 Pumpe
Mischzone 54 Auslass
55 Kühler
Luftfilter 56 Verdampfungsabschnitt
Abdecklamellen 57 Welle
Schalldämpfer 58 Wasser/Dampf am Eingang von 47 59 Dampf am Ausgang von 47 Abströmkante von 20

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zur Vermischung von frischer Ansaugluft (13,44) mit rezirkulierter Abgas luft (11) in einer Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Abschnitt im Strömungskanal erste Bereiche (19) ausgebildet sind, welche wenigstens bereichsweise im wesentlichen für die frische Ansaugluft (13,44) nicht zugänglich sind und welche mit rezirkulierter Abgas luft (11) beaufschlagt sind, und dass zweite Bereiche (21) ausgebildet sind, welche wenigstens bereichsweise im wesentlichen für die rezirkulierte Abgasluft (11) nicht zugänglich sind und welche von frischer Ansaugluft (13,44) durchströmt werden, und dass die ersten Bereiche (19) und die zweiten Bereiche (21) stromab in eine Mischzone (24) münden, wo frische Ansaugluft (13) und rezirkulierte Abgasluft (11) vermischt werden und der vermischte Luftstrom (15) weiter wenigstens mittelbar dem Kompressor (46) zugeführt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Abschnitt des Strömungskanals eine Mehrzahl von im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung der frischen Ansaugluft (13,44) angeordnete Trennwände (20) angeordnet ist, welche die ersten Bereiche (19) von den zweiten Bereichen (21) trennen, und dass die die ersten Bereiche (19) bildenden Paare von Trennwänden (20) durch erste Deckwände (17) gegenüber einem einströmen von frischer Ansaugluft (13,44) im wesentlichen verschlossen sind und in der Wandung des Strömungskanals in die ersten Bereiche (19) mündende Eintrittsöffnungen (12) für rezirkulierte Abgasluft (11) vorgesehen sind, und dass die die zweiten Bereiche (21) bildenden Paare von Trennwänden (20) durch zweite Deckwände
(18) gegenüber einem einströmen von rezirkulierter Abgas luft (11) im wesentlichen verschlossen sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Bereiche
(19) und die zweiten Bereiche (21) alternierend angeordnet sind, und dass jeweils eine Trennwand (20) einen ersten Bereich (19) von einem zweiten Bereich (21) trennt.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwände (20) parallel versetzt nebeneinander angeordnet sind, und dass vorzugsweise die ersten Deckwände (17) im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung der frischen Ansaugluft (13,44) an dieser Stelle angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussquerschnitt bei den Eintrittsöffnungen (12) für rezirkulierte Abgasluft (11) geregelt werden kann, vorzugsweise durch Klappen (16) und/oder Schieber.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussquerschnitt bei den Eintrittsöffnungen (10) für frische Ansaugluft (13) geregelt werden kann, vorzugsweise durch Klappen und/oder Schieber.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich von und/oder oder an der an die Mischzone (24) grenzenden Abströmkante (60) wenigstens einer Trennwand (20) Turbulatoren (14) angeordnet sind, wobei es sich bei den Turbulatoren vorzugsweise um aus der Ebene der Trennwände (20) vorzugsweise wechselseitig herausgebogene Abschnitte (14) des Trennwandmaterials handelt.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwände (20) wenigstens bereichsweise Durchgangsöffnungen aufweisen, welche die ersten Bereiche (19) mit den zweiten Bereichen (21) verbinden.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Mischzone (24) und/oder in einem der Bereiche (19,21) an den die Strömung begrenzenden Wänden Turbulatoren (14) angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Vorrichtung die frische Ansaugluft (13) umgelenkt wird, wobei sie vorzugsweise um einen Winkel im Bereich von 60-100° umgelenkt wird, insbesondere vorzugsweise von einer horizontalen Strömungsrichtung in eine vertikale nach unten gerichtete Strömungsrichtung.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die rezirkulierte Abgasluft (11) in einer Richtung in die Vorrichtung geführt wird, welche im wesentlichen der Austrittsrichtung des vermischten Luftstroms (15) stromab der Mischzone (24) entspricht.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung vorzugsweise regelbare Leitelemente aufweist, um das Strömungsverhalten von frischer Ansaugluft (13) und/oder rezirkulierter Abgasluft (11) und/oder des vermischten Luftstroms (15) zu regeln.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zusätzlich über Elemente zur Einbringung von Wasser, vorzugsweise in Form von Tröpfchen und/oder Wasserdampf, in den Ansaugluftstrom verfügt.
14. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Vermischung von frischer Ansaugluft (13) mit rezirkulierter Abgasluft (11) im Ansaugtrakt (41) einer Gasturbine, vorzugsweise stromab eines Schalldämpfers (33).
15. Verwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung beim Übergang (34) des Ansaugluftstroms von einer horizontalen Strömungsrichtung in eine vertikale Strömungsrichtung zur Zuführung zum Ansaugluft-Kollektor (35) eingesetzt wird.
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