WO2009010525A1 - Mit flüssigem brennstoff betriebene gasturbine - Google Patents

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WO2009010525A1
WO2009010525A1 PCT/EP2008/059284 EP2008059284W WO2009010525A1 WO 2009010525 A1 WO2009010525 A1 WO 2009010525A1 EP 2008059284 W EP2008059284 W EP 2008059284W WO 2009010525 A1 WO2009010525 A1 WO 2009010525A1
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Vladimir Vlahovic
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/28—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply
    • F23R3/30—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the fuel supply comprising fuel prevapourising devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23K—FEEDING FUEL TO COMBUSTION APPARATUS
    • F23K5/00—Feeding or distributing other fuel to combustion apparatus
    • F23K5/02—Liquid fuel
    • F23K5/14—Details thereof
    • F23K5/22—Vaporising devices

Definitions

  • the invention relates to a gas turbine operated with liquid fuel and a combustion chamber of such a gas turbine.
  • Gas turbines are nowadays used in a variety of ways and, in particular, usually with liquid fuel
  • Fuel operated as so-called oil-fired gas turbines As a liquid fuel for such gas turbines either specially prepared fuel types are available or operated with liquid fuel gas turbines must be operated with liquid fuels of rather poor quality. This is the case, for example, with gas turbines, which are used to drive pumps on oil pipelines. For such gas turbines, oil is partially diverted from the respective pipeline itself. The quality of the intended for the operation of the gas turbine liquid fuel can vary accordingly strong.
  • the object of the invention is to provide a gas turbine operated with liquid fuel and a combustion chamber for such a gas turbine, in which coking is largely avoided and consequently undesirable deposits are minimized. Also, a coking of a waste heat boiler on a combined cycle turbine should be prevented as much as possible, without having to accept loss of efficiency.
  • the object is inventively with a liquid
  • a liquid fuel gas turbine having a combustion chamber and a supply means for supplying the liquid fuel to the combustion chamber in which an evaporator unit is provided by means of which the liquid fuel is in a vaporous state before being fed into the combustion chamber can be transferred.
  • a combustion chamber of a gas turbine operated with liquid fuel in which a supply device for supplying the liquid fuel to the combustion chamber and an evaporator device are provided, by means of which the liquid fuel is supplied before being introduced into the combustion chamber the combustion chamber can be converted into a vaporous state.
  • the liquid fuel is vaporized at the combustion chamber of a gas turbine prior to injection and injected into the combustion zone in gaseous form.
  • the combustion process is thereby accelerated according to the invention.
  • the vaporized fuel is further heated prior to injection into the combustion chamber, so that chemical chains of the liquid fuel are shortened by evaporation, resulting in a general improvement of the combustion situation of oil-fired gas turbines.
  • shortening chemical chains is generally meant the cracking of the carbon chains. Since cracking occurs in the vaporizer device, the deposits resulting from cracking, such as e.g. Tar in the evaporator device. The deposits settle on corresponding, provided for internals, and are thus retained by the evaporator and do not get into the combustion chamber of the gas turbine.
  • Combustion zone for the reaction of the vaporous fuel with the oxygen.
  • the resulting longer combustion time reduces unburned hydrocarbons and possibly produced soot particles and improves the efficiency of combustion.
  • a blowing device for introducing the fuel transferred into the vapor state into the combustion chamber is correspondingly provided in the case of the liquid-fueled gas turbine.
  • an energy recovery device is advantageously provided by means of which the energy required for vaporizing the liquid fuel is at least partially recovered from the exhaust gas produced when the fuel burns.
  • the efficiency of the gas turbine according to the invention is further improved by such energy recovery.
  • the energy recovery device is advantageously designed in the form of a heat transfer, through which, on the one hand, fuel and, on the other hand, exhaust gas produced are passed.
  • the energy recovery device is also designed as a so-called direct energy recovery, in which hot exhaust gas from the combustion process of the gas turbine (direct) is introduced into the liquid fuel. If the heat of the hot exhaust gas is insufficient to completely evaporate the fuel, the evaporation can be assisted with a controlled "cold" flame, which in particular promotes the ignition by active radicals and low NOx emissions According to the invention, incombustible particles present in the fuel do not reach the combustion zone.
  • FIG shows a highly schematic partial representation of an embodiment of a gas turbine according to the invention.
  • a gas turbine 10 shown in FIG. 1 comprises a combustion chamber 12, which can be supplied with fuel, on the one hand, through a line 14 and, on the other hand, through a line 16.
  • a combustion chamber 12 which can be supplied with fuel, on the one hand, through a line 14 and, on the other hand, through a line 16.
  • exhaust gas from the combustion chamber 12 flows out of the combustion chamber 12 through a line 18.
  • the exhaust gas thus derived passes into a heat exchanger or heat exchanger 20 in which heat energy is transferred from the exhaust gas to fuel likewise introduced into the heat exchanger 20 in a direct or indirect countercurrent process.
  • the exhaust gas subsequently flows out of the heat exchanger 20 through a line 22, while fuel flows through a line 24 into the heat exchanger 20.
  • the fuel flowing into the heat exchanger 20 is liquid and is vaporized within the heat exchanger 20, so that it passes in the vapor state through the conduit 14 into the combustion chamber 12 and is burned there.
  • the energy required for vaporizing the liquid fuel is at least partially recovered from the exhaust gas produced when the fuel is combusted.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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Abstract

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

Description

Beschreibung
Mit flüssigem Brennstoff betriebene Gasturbine
Die Erfindung betrifft eine mit flüssigem Brennstoff betriebene Gasturbine sowie eine Brennkammer einer derartigen Gasturbine .
Gasturbinen werden heutzutage auf vielfältige Weise einge- setzt und dabei insbesondere in der Regel mit flüssigem
Brennstoff als so genannte ölbefeuerte Gasturbinen betriebenen. Als flüssiger Brennstoff für derartige Gasturbinen stehen entweder speziell aufbereitete Brennstoffarten zur Verfügung oder die mit flüssigem Brennstoff betriebenen Gasturbi- nen müssen mit flüssigen Brennstoffen von eher minderer Qualität betrieben werden. Dies ist beispielsweise bei Gasturbinen der Fall, welche zum Antreiben von Pumpen an Ölpipelines verwendet werden. Für derartige Gasturbinen wird teilweise Öl aus der jeweiligen Pipeline selbst abgezweigt. Die Qualität des für den Betrieb der Gasturbine vorgesehenen flüssigen Brennstoffs kann entsprechend stark schwanken.
Auch generell besteht bei bekannten ölbefeuerten Gasturbinen das Problem, dass der Verbrennungsprozess in der Brennkammer der Gasturbine durchaus noch verbesserungswürdig ist.
Insbesondere bei Gas- und Dampf-Turbinen (GuD-Turbinen) besteht die Gefahr, dass es an einem Abhitzekessel der GuD-Tur- bine zur Verkokung kommt. An dem derartigen Abhitzekessel wird das Abgas der Gasturbinen-Einheit der GuD-Turbine hindurchgeführt und erwärmt dort den Dampf, der in der Dampfturbinen-Einheit der GuD-Turbine verwendet wird. Falls es zu einer solchen Verkokung des Abhitzekessels einer GuD-Turbine kommt, wird bei bekannten Turbinen ein Bypass-Kamin zwischen der Gasturbinen-Einheit und dem Abhitzekessel der GuD-Turbine freigegeben. Das Abgas der Gasturbinen-Einheit strömt dann ungenutzt ab, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der GuD-Turbine verringert wird. Grundsätzlich besteht die Gefahr einer Verkokung dort, wo ein flüssiger Brennstoff absichtlich oder unabsichtlich auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der er sich zersetzt. Die Brennkammer von mit flüssigem Brennstoff betriebenen Gasturbinen, insbesondere der Bereich der Eindüsung, ist daher besonders von Ablagerungen durch verkoken betroffen. Wird Erdöl als flüssiger Brennstoff verwendet, wird durch die Zersetzung des Erdöls unter Anderem Teer abgeschieden. Teer als Ablagerung in Gasturbinen ist äußerst unerwünscht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine mit flüssigem Brennstoff betriebene Gasturbine sowie eine Brennkammer für eine derartige Gasturbine zur Verfügung zu stellen, bei der eine Verkokung weitgehend vermieden wird und folglich uner- wünschten Ablagerungen minimiert werden. Auch soll eine Verkokung eines Abhitzekessels an einer GuD-Turbine soweit wie möglich unterbunden werden, ohne dabei Wirkungsgradverluste hinnehmen zu müssen.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einer mit flüssigem
Brennstoff betriebenen Gasturbine gemäß Anspruch 1 und einer Brennkammer einer mit flüssigem Brennstoff betriebenen Gasturbine gemäß Anspruch 5 gelöst Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüche beschrieben.
Gemäß der Erfindung ist eine mit flüssigem Brennstoff betriebene Gasturbine geschaffen, welche eine Brennkammer und eine Zuführeinrichtung zum Zuführen des flüssigen Brennstoffs zur Brennkammer aufweist, bei der eine Verdampfereinheit vorgese- hen ist, mittels der der flüssige Brennstoff vor dem Zuführen in die Brennkammer in dampfförmigen Zustand überführt werden kann .
Ferner ist erfindungsgemäß eine Brennkammer einer mit flüssi- gern Brennstoff betriebenen Gasturbine geschaffen, bei der eine Zuführeinrichtung zum Zuführen des flüssigen Brennstoffs zur Brennkammer und eine Verdampfereinrichtung vorgesehen ist, mittels der der flüssige Brennstoff vor dem Zuführen in die Brennkammer in dampfförmigen Zustand überführt werden kann .
Erfindungsgemäß wird der flüssige Brennstoff an der Brennkam- mer einer Gasturbine vor der Einspritzung verdampft und in Gasform in die Verbrennungszone eingespritzt. Der Verbren- nungsprozess wird dadurch erfindungsgemäß beschleunigt. Weiterhin wird der verdampfte Brennstoff vor Einspritzung in die Brennkammer weiter erhitzt, so dass chemische Ketten des flüssigen Brennstoffs durch Verdampfung gekürzt werden, wodurch es zu einer allgemeinen Verbesserung der Verbrennungssituation von ölbefeuerten Gasturbinen kommt. Mit verkürzen von chemischen Ketten ist allgemein das aufcracken der Kohlenstoffketten gemeint. Da das cracken in der Verdampferein- richtung geschieht, bilden sich die beim cracken entstehenden Ablagerungen wie z.B. Teer in der Verdampfereinrichtung. Die Ablagerungen setzen sich an entsprechenden, dafür vorgesehenen Einbauten ab, und werden dadurch von der Verdampfereinrichtung zurückgehalten und gelangen nicht in die Brennkammer der Gasturbine.
Generell kommt es bei unvollständiger Verbrennung eines fossilen Brennstoffes durch einen lokalen Sauerstoffunterschuss zur Bildung von Ruß. Da die Verdampfung außerhalb der Verbrennungszone stattfindet, bleibt mehr Zeit in der
Verbrennungszone zur Reaktion des dampfförmigen Brennstoffs mit dem Sauerstoff. Durch die sich damit ergebende längere Verbrennungszeit werden unverbrannte Kohlenwasserstoffe und eventuell produzierte Rußpartikel reduziert und der Wirkungs- grad der Verbrennung wird verbessert.
Da erfindungsgemäß auch kein flüssiger Brennstoff ohne Sauerstoff in Kontakt mit heißen Teilen kommt, kann auch kein Ruß entstehen. Ferner wird erfindungsgemäß der Stickstoffmonoxid- Ausstoß (NOx-Ausstoß) verringert. Durch gezielte Abgaseinspritzung kann erfindungsgemäß vorteilhaft eine niedrige Verbrennungstemperatur in der Reaktionszone erreicht werden. Erfindungsgemäß vorteilhaft ist entsprechend bei der mit flüssigem Brennstoff betriebene Gasturbine eine Einblaseinrichtung zum Einführen des in dampfförmigen Zustand überführten Brennstoffs in die Brennkammer vorgesehen.
Ferner ist vorteilhaft eine Energierückgewinnungseinrichtung vorgesehen, mittels der die zum Verdampfen des flüssigen Brennstoffs erforderliche Energie zumindest teilweise aus dem beim Verbrennen des Brennstoffs entstehenden Abgas rückgewon- nen wird. Der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Gasturbine wird durch eine derartige Energierückgewinnung weiter verbessert .
Die Energierückgewinnungseinrichtung ist vorteilhaft in Ge- stalt eines Wärmerübertrages gestaltet, durch den zum einen Brennstoff und zum anderen entstandenes Abgas hindurchgeleitet werden.
Besonders vorteilhaft ist die Energierückgewinnungseinrich- tung auch als so genannte direkte Energierückgewinnung gestaltet, bei der heißes Abgas aus dem Verbrennungsprozess der Gasturbine (direkt) in den flüssigen Brennstoff eingeführt wird. Wenn die Wärme des heißen Abgases nicht für die vollständige Verdampfung des Kraftstoffes ausreicht, kann die Verdampfung mit kontrollierter „kalter" Flamme unterstützt werden. Dadurch wird insbesondere die Zündung auch durch aktive Radikale unterstützt. Ferner wird ein niedriger NOx-Aus- stoß erreicht. Eventuell im Brennstoff vorhandene, unver- brennbare Partikel gelangen erfindungsgemäß nicht in die Ver- brennungszone .
Insgesamt wird erfindungsgemäß erreicht, das sich im Abgastrakt einer Gasturbine besonders geringe Kohlenstoffablage- rungen bilden. Insbesondere im Abhitzekessel einer GuD-Tur- bine werden Kohlenstoffablagerungen vermieden. Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es dadurch möglich, auf ein Öffnen eines Bypass-Kamins an einem Abhitzekessel weitgehend oder vollständig zu verzichten. Unter Umständen kann ein derartiger Bypass-Kamin auch konstruktiv ganz entfallen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsge- mäßen mit flüssigem Brennstoff betriebenen Gasturbine anhand der beigefügten schematischen Zeichnung nähert erläutert.
Es zeigt die FIG eine stark schematische Teildarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Gasturbine.
Eine in der FIG dargestellte Gasturbine 10 umfasst eine Brennkammer 12, der zum einen durch eine Leitung 14 Brennstoff und zum anderen durch eine Leitung 16 Brennluft zuführbar ist. Aus der Brennkammer 12 strömt im Falle einer Ver- brennung des Brennstoffs innerhalb der Brennkammer 12 Abgas aus der Brennkammer 12 durch eine Leitung 18 ab. Das derart abgeleitete Abgas gelangt in einen Wärmeübertrager bzw. Wärmetauscher 20, in dem in einem direkten oder indirekten Ge- genstromverfahren Wärmeenergie aus dem Abgas auf ebenfalls in den Wärmetauscher 20 eingebrachten Brennstoff übertragen wird. Das Abgas strömt nachfolgend durch eine Leitung 22 aus dem Wärmetauscher 20 ab, während Brennstoff durch eine Leitung 24 in den Wärmetauscher 20 hineinströmt.
Der in den Wärmetauscher 20 einströmende Brennstoff ist dabei flüssig und wird innerhalb des Wärmetauschers 20 verdampft, sodass er in dampfförmigem Zustand durch die Leitung 14 in die Brennkammer 12 gelangt und dort verbrannt wird.
Innerhalb des Wärmetausches 20, der als Wärmeübertrager funktioniert, wird dabei die zum Verdampfen des flüssigen Brennstoffs erforderliche Energie zumindest teilweise aus dem beim Verbrennen des Brennstoffs entstandenen Abgas rückgewonnen.

Claims

Patentansprüche
1. Mit flüssigem Brennstoff betriebene Gasturbine (10), welche eine Brennkammer (12) und eine Zuführeinrichtung (24) zum Zuführen des flüssigen Brennstoffs zur Brennkammer (12) aufweist, bei der eine Verdampfereinrichtung (20) vorgesehen ist, mittels der der flüssige Brennstoff vor dem Zuführen in die Brennkammer (12) in dampfförmigen Zustand überführt werden kann.
2. Mit flüssigem Brennstoff betriebene Gasturbine nach Anspruch 1, bei der eine Einblaseinrichtung (14) zum Einführen des in dampfförmigen Zustand überführten Brennstoffs in die Brennkammer (12) vorgesehen ist.
3. Mit flüssigem Brennstoff betriebene Gasturbine nach Anspruch 1 oder 2, bei der eine Energierückgewinnungseinrichtung (20) vorgesehen ist, mittel der die zum Verdampfen des flüssigen Brennstoffs erforderliche Energie zumindest teil- weise aus dem beim Verbrennen des Brennstoffs entstehenden Abgas rückgewonnen wird.
4. Mit flüssigem Brennstoff betriebene Gasturbine nach Anspruch 3, bei der die Energierückgewinnungseinrichtung (20) in Gestalt eines Wärmeübertragers gestaltet ist, durch den zum einen Brennstoff und zum anderen entstandenes Abgas hindurchgeleitet werden.
5. Brennkammer (12) einer mit flüssigem Brennstoff betriebe- nen Gasturbine (10), bei der eine Zuführeinrichtung (24) zum
Zuführen des flüssigen Brennstoffs zur Brennkammer (12) und eine Verdampfereinrichtung (20) vorgesehen ist, mittels der der flüssige Brennstoff vor dem Zuführen in die Brennkammer (12) in dampfförmigen Zustand überführt werden kann.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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WO2004033886A2 (en) * 2002-10-10 2004-04-22 Combustion Science & Engineering, Inc. System for vaporization of liquid fuels for combustion and method of use

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