Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine offene Gasturbinenanlage, im wesentlichen bestehend aus einem Verdichter, einer Brennkammer und einer Gasturbine, welche entweder einen Generator zur Stromerzeugung oder eine Arbeitsmaschine antreibt und welche über ein Abgasrohr mit einem Kamin verbunden ist, wobei stromabwärts der Gasturbine ein Katalysator vorgesehen ist.
In der heutigen umweltbewussten Zeit ist abzusehen, dass die Vorschriften gegen Luftverschmutzung immer strenger werden und dass es immer schwieriger werden wird, mit den industriellen Emissionswerten die Vorschriften zu erfüllen. Diese Umweltüberlegungen werden auch die Entwicklung von industriellen Energieversorgungsanlagen auf der Basis von Gasturbinen beeinflussen und dort Abgasemissionswerte erfordern, die bei vertretbarem Aufwand mit der verfügbaren Technologie erreichbar sind. Indes geht die Entwicklung von Gasturbinen in Richtung höherer Betriebstemperaturen, die zwar einen besseren Wirkungsgrad ergeben, jedoch zu schlechteren Emissionswerten insbesondere bei den Stickoxyden führen, weil die NOx-Bildung exponentiell mit der Flammentemperatur ansteigt.
Stand der Technik
Es ist allgemein bekannt, dass die NOx-Bildung durch Zufuhr von Wasser in flüssigem oder dampfförmigem Zustand in den Verbrennungsprozess verringert werden kann. Jedoch wird bei Anwendung dieser Methode, die auf einer Temperaturverringerung des Arbeitsmediums basiert, mit zunehmender Wassereingabe der thermische Wirkungsgrad auch zunehmend verschlechtert.
Eine Anlage der eingangs genannten Art, die ohne Wasserzufuhr, dafür jedoch zwecks Entgiftung der Rauchgase mit einem Katalysator arbeitet, ist bekannt aus der US 4 106 286. Es handelt sich bei dieser Anlage um eine sogenannte Kombianlage, bei welcher mit den heissen Abgasen der Gasturbine in einem Abhitzekessel Dampf für den Betrieb einer Dampfturbine erzeugt wird. In diesem Abhitzekessel sind unter anderm in Strömungsrichtung der Rauchgase ein Überhitzer, ein Verdampfer und ein Vorwärmer angeordnet. Da der Katalysator seine beste Wirkung in einem Temperaturbereich von ca. 400 DEG C entfaltet, ist er innerhalb des Abhitzekessels zwischen dem Verdampfer und dem Vorwärmer angeordnet, dort also, wo die Rauchgase weitgehend ihre Abwärme an die Apparate abgegeben haben und hinreichend abgekühlt sind.
Eine Anordnung weiter stromabwärts, d.h. hinter den Vorwärmer, würde den Katalysator mangels genügender Temperatur des zu reinigenden Mediums wirkungslos gestalten, während eine Anordnung weiter stromaufwärts die Lebensdauer des Katalysators infolge zu hoher Temperatur der Rauchgase schwer beeinträchtigen würde.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von der somit bekannten Tatsache, dass Katalysatoren der herkömmlichen Art nur in bestimmten Temperaturbereichen wirtschaftlich einsetzbar sind, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einer Gasturbinenanlage der eingangs genannten Art, welche nicht mit einem Abhitzekessel ausgerüstet ist, die Temperatur der Rauchgase nach deren Energieabgabe an die Gasturbine auf ein für den nachgeschalteten Katalysator verträgliches Mass zu reduzieren.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass im Abgasrohr zwischen dem Austrittsdiffusor der Gasturbine und dem Kamin ein Injektor zum Einführen von Umgebungsluft in den Abgasstrom angeordnet ist, und dass der Katalysator stromabwärts des Injektors angeordnet ist.
Die Vorteile der Erfindung sind neben der Tatsache, dass mittels des Injektors grundsätzlich gekühlt werden kann - und somit vor allem bei hochbelasteten modernen Gasturbinen mit sehr hohen Abgastemperaturen diese soweit gesenkt werden können, dass das Abgasrohr und der Kamin aus kostengünstigen Materialien gefertigt werden können - unter anderm darin zu sehen,
- dass die Abgase auf relativ wirtschaftliche Art abgekühlt werden;
- dass ein konventionelles Katalysatormaterial verwendet werden kann;
- dass ein hoher Grad an Entstickung erzielt werden kann;
- dass die Entstickung über den ganzen Lastbereich erfolgen kann;
- dass die Katalysatorlebensdauer durch weitgehend konstante Temperatur erhöht werden kann.
Ferner eignet sich die neue Massnahme ohne weiteres zum Nachrüsten von bereits bestehenden Gasturbinen-Anlagen.
Es ist besonders zweckmässig, wenn der Injektor kreisringförmig um das Abgasrohr herum angeordnet und eintrittsseitig mit verstellbaren Schaufeln versehen ist, und wenn stromabwärts des Injektors ein Mischrohr vorgesehen ist. Mit diesen Massnahmen kann auf einfache und automatisierbare Art bei jedem Betriebszustand die richtige Gastemperatur vor dem Katalysator eingeregelt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung ist anhand einer axialdurchströmten Gasturbine mit axialem Ausströmgehäuse ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Alle für das Verständnis der Erfindung unwesentlichen Elemente, wie bspw. der Generator, die thermischen Apparate, die Schalldämpfer usw. sind fortgelassen.
Es zeigen:
Fig. 1 den thermischen Teil einer Gasturbinenanlage in einem teilweisen Querschnitt, in schematischer Darstellung;
Fig. 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Veränderung der NOx-Emission einer Gasturbine mit der Flammentemperatur;
Fig. 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Denitrierungsgrades in Funktion der Gastemperatur;
Fig. 4 die Anordnung eines Umlenkkörpers.
Weg zur Ausführung der Erfindung
In Fig. 1 sind die Strömungsrichtungen der Arbeitsmedien mit Pfeilen bezeichnet. Obwohl offene Gasturbinen hinlänglich bekannt sind, sei deren Funktionsweise kurz erläutert. Der besseren Übersicht wegen sind die auf einer gemeinsamen Welle 1 angeordneten Verdichter 2 und Gasturbine 3 mit einem gemeinsamen Gehäuse 4 dargestellt. An einem Stutzen dieses Gehäuses ist die Brennkammer 5 angeflanscht. Es versteht sich, dass die Art der Brennkammer für die Erfindung ohne Belang ist. Die aus der Umgebung angesaugte Verbrennungsluft wird im axialen, mit Leit- und Laufschaufeln bestückten Verdichter 1 komprimiert und gelangt im Falle der gezeigten Brennkammer zwischen deren Aussenwand 6 und Innenwand 7 zur Primärlufteinführung 8, welche mit einem Drallkörper 9 in Form von Wirbelschaufeln versehen ist. Der Drallkörper umgibt die Brennstoffdüsen oder kurz den Brenner 10.
Durch die Wirbelschaufeln gelangt die Luft in die Primärzone 11, in welcher sich der Verbrennungsvorgang abspielt.
Hier, anlässlich der Entstehung des NOx, wird in der Regel die eingangs erwähnte Zufuhr von Wasser in flüssigem oder dampfförmigem Zustand vorgenommen, um die Flammenspitzentemperaturen zu erniedrigen. Auf andere Art kann die Flammentemperatur durch die Verwendung von speziellen LOW-DRY-NOx Brennern gesenkt werden.
Eine gute Durchmischung der abströmenden Gase wird in der Mischzone 11 durch Einführen von Mischluft durch die \ffnungen 12 erreicht. Der hohe Grad von Durchwirbelung bewirkt eine gleichmässige Temperaturverteilung am Brennkammerauslass, aus dem die energiereichen Gase über die als Ringkammer ausgebildete Düse 13 in die Beschaufelung der Gasturbine 3 einströmen und diese antreiben. Nach Abgabe des grössten Teils ihrer Energie an die Welle 1 verlassen die Abgase die Turbine 3 über den Diffusor 14, das axiale Abgasrohr 15 und den vertikalen Kamin 16. Zur verlustarmen und in der Regel Ungleichmässigkeiten verursachenden Umlenkung der Abgasströmung - die unter anderm den nicht gezeigten Schalldämpfer im Kamin gefährden könnte - von der Horizontalen in die Vertikale ist ein Umlenkkrümmer 17 mit darin angeordnetem Schaufelgitter 18 vorgesehen.
Hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise sind Gasturbinen soweit bekannt.
Gemäss der Erfindung wird nun ein Katalysator 19 am Ende des Zyklus angeordnet. Im vorliegenden Beispiel geschieht dies im Innern des Kamins 16, was selbstverständlich keine Bedingung ist. Dieser Katalysator kann bspw. nach dem sogenannten SCR-Verfahren arbeiten. Beim Katalysator kann es sich in diesem Fall um keramische Elemente mit Wabenstruktur handeln, deren Hauptbestandteil z.B. Titanoxyd als poröses Grundmate rial ist, welches von der aktiven Substanz, z.B. Vanadiumpentoxyd durchsetzt ist. Der Katalysator kann jedoch auch als Plattenkatalysator ausgebildet sein, bei welchem die katalytische Masse auf einem Metallgitter aufgebracht ist. Die Reaktionen laufen aufgrund der Partialdruckänderungen und andern Einflüssen in den Poren des hochporösen Materials ab.
Das Diagramm in Fig. 2 zeigt den exponentiellen Zusammenhang zwischen der Erzeugung von NOx, dargestellt als dimensionsloser NOx-Index auf der Ordinate, und der Flammentemperatur, dargestellt in [ DEG C] auf der Abszisse, in einer Gasturbinenbrennkammer.
Das Diagramm in Fig. 3 veranschaulicht den erreichbaren Denitrierungsgrad der Abgase, dargestellt in [%] auf der Ordinate, in Funktion der Gastemperatur, dargestellt in [ DEG C] auf der Abszisse. Der Bereich mit der bestmöglichen Entstickung liegt in der Grössenordnung von ca. 350-400 DEG C.
Nun weisen jedoch die Abgase von offenen Gasturbinen am Turbinenaustritt erheblich höhere Temperaturen im Bereich von 500 bis 600 DEG C auf. Gemäss der Erfindung ist deshalb ein Mittel vorzusehen, um diese für den Katalysator 19 zu hohe Gastemperaturen zu reduzieren. Es handelt sich bei diesem Mittel um einen Luftinjektor 20, der in das Abgasrohr 15 mündet. Zweckmässigerweise ist er in einem solchen Abstand zum Austrittsdiffusor 14 angeordnet, dass dessen Funktionsweise nicht beeinträchtigt wird.
Der Injektor ist in seiner einfachsten Ausführungsform folgendermassen konzipiert:
Um den zur Ansaugung der Umgebungsluft notwendigen Druckunterschied zu erzeugen, muss die im Diffusor 14 verzögerte und ggfs. über nicht gezeigte Mittel gleichgerichtete Gasströmung wiederum beschleunigt werden. Dies wird durch Verringerung des Querschnitts des Abgasrohres 15 an dessen Austritt vorgenommen. Hierzu wird der Endteil 21 des Abgasrohres konisch verengt; er bildet somit die Innenwandung des Injektors. Des sen Aussenwandung besteht in einem entsprechend angepassten Konus 22, der den Endteil 21 auf seinem ganzen Umfang umgibt. Der Konus 22 geht maschinenseitig in eine zylindrische Partie 23 und kaminseitig in ein Mischrohr 24 über. Die zylindrische Partie 23 des Injektors schliesst eintrittsseitig mit einem strömungstechnisch gut ausgebildeten Ansaugstutzen 25 ab.
Durch die im konischen Endteil 21 des Abgasrohres 15 stark beschleunigte Gasströmung entsteht in der Austrittsebene des Abgasrohres ein starker Unterdruck. Dieser bewirkt ein Ansaugen von Umgebungsluft über den kreisringförmigen Querschnitt des Injektors 20. Abgas und Mischluft strömen zusammen in das Mischrohr 24 ein, welches seinerseits in den Umlenkkrümmer 17 des Kamins 16 mündet. Das Mischrohr 24 ist in seiner axialen Erstreckung so bemessen, dass vor dem Umlenkkrümmer Gas und angesaugte Luft gut durchmischt sind und eine gemeinsame Gemischgeschwindigkeit aufweisen.
Es versteht sich, dass im Zusammenhang mit der Dimensionierung des Injektors 20 und der Mischstrecke auf die Angabe von Absolutwerten verzichtet werden muss, da diese Werte aufgrund ihrer Abhängigkeit von allzu zahlreichen Parametern ohnehin zu wenig aussagekräftig sind. Massgebend ist einzig, dass das Injektorsystem so ausgelegt ist, dass bei höchster Abgastemperatur, kleinster Abgasmenge, höchster Umgebungstemperatur und voll geöffneten Durchflussregelmittel die angesaugte Menge an Umgebungsluft ausreicht, um die Abgase auf die maximal zulässige Temperatur herabzukühlen.
Die genannten Durchflussregelmittel bestehen im vorliegenden Fall aus einem Kranz von beispielsweise vierundzwanzig Umlenkörpern 26 in Form von geraden, profilierten oder nichtprofilierten Schaufeln, die gleichmässig über dem Umfang verteilt in der zylindrischen Partie des Injektors angeordnet sind. Selbstverständlich können auch Schaufeln mit nicht gerader Skelettlinie Anwendung finden.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel des konstruktiven Einbaus einer solchen Schaufel. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Schaufel, welche über nicht gezeigte Mittel, wie beispielsweise Hebel, Gabelschlüssel, Kurbel und dergleichen von aussen betätigt werden kann, ist in einem Auge 27 mittels des Zapfens 28 drehbar gelagert und ist in der voll geöffneten Stellung gezeigt.
Die Verstellung der Schaufeln im Gitter erfolgt über nicht dargestellte Betätigungsmittel, wie sie beispielsweise aus dem Verdichterbau bekannt sind. Die eigentliche Verstellung erfolgt vorzugsweise automatisch in Funktion von Betriebsparametern wie insbesondere der Gastemperatur stromaufwärts des Katalysators. Geeignet ist demnach eine entsprechende, permanente Temperaturmessung.
Bei Leerlauf oder tiefer Teillast der Gasturbine kann durch Verstellung der Schaufeln der Eintrittsquerschnitt für die Umgebungsluft vollständig geschlossen werden, damit die Gastemperatur auf dem für das richtige Funktionieren des Katalysators erforderlichen Niveau bleibt.
Technical field
The invention relates to an open gas turbine system, consisting essentially of a compressor, a combustion chamber and a gas turbine, which either drives a generator for generating electricity or a work machine and which is connected to a chimney via an exhaust pipe, a catalyst being provided downstream of the gas turbine.
In today's environmentally conscious world, it is foreseeable that air pollution regulations will become increasingly stringent and that it will become increasingly difficult to comply with industrial emissions standards. These environmental considerations will also influence the development of industrial energy supply systems based on gas turbines and require exhaust gas emissions values that can be achieved with the available technology with reasonable effort. In the meantime, the development of gas turbines is moving towards higher operating temperatures, which result in better efficiency, but lead to poorer emission values, especially for nitrogen oxides, because the NOx formation increases exponentially with the flame temperature.
State of the art
It is well known that NOx formation can be reduced by adding water in liquid or vapor form to the combustion process. However, when using this method, which is based on a reduction in the temperature of the working medium, the thermal efficiency also deteriorates with increasing water input.
A system of the type mentioned at the outset, which works without a water supply, but instead uses a catalyst to detoxify the flue gases, is known from US Pat. No. 4,106,286. This system is a so-called combination system, in which the hot exhaust gases from the gas turbine are used steam is generated in a waste heat boiler for the operation of a steam turbine. In this waste heat boiler, a superheater, an evaporator and a preheater are arranged in the direction of flow of the flue gases. Since the catalyst has its best effect in a temperature range of approx. 400 ° C, it is arranged inside the waste heat boiler between the evaporator and the preheater, i.e. where the flue gases have largely given off their waste heat to the apparatus and have cooled down sufficiently.
An order further downstream, i.e. downstream of the preheater, would make the catalytic converter ineffective due to the insufficient temperature of the medium to be cleaned, while an arrangement upstream would severely impair the service life of the catalytic converter due to the temperature of the flue gases being too high.
Presentation of the invention
Based on the thus known fact that catalysts of the conventional type can only be used economically in certain temperature ranges, the object of the invention is, in a gas turbine installation of the type mentioned at the outset, which is not equipped with a waste heat boiler, the temperature of the flue gases after their energy output to reduce the gas turbine to a level that is compatible with the downstream catalytic converter.
This is achieved according to the invention in that an injector for introducing ambient air into the exhaust gas flow is arranged in the exhaust pipe between the outlet diffuser of the gas turbine and the chimney, and in that the catalytic converter is arranged downstream of the injector.
The advantages of the invention are in addition to the fact that the injector can in principle be used for cooling - and thus, especially in the case of highly stressed modern gas turbines with very high exhaust gas temperatures, these can be reduced to such an extent that the exhaust pipe and the chimney can be produced from inexpensive materials - below to see others in it
- that the exhaust gases are cooled in a relatively economical way;
- that a conventional catalyst material can be used;
- that a high degree of denitrification can be achieved;
- that denitrification can be carried out over the entire load range;
- That the catalyst life can be increased by largely constant temperature.
The new measure is also suitable for retrofitting existing gas turbine systems.
It is particularly expedient if the injector is arranged in a ring around the exhaust pipe and is provided with adjustable blades on the inlet side, and if a mixing pipe is provided downstream of the injector. With these measures, the correct gas temperature upstream of the catalytic converter can be regulated in a simple and automatable manner in every operating state.
Brief description of the drawing
In the drawing, an embodiment of the invention is shown using an axially flow-through gas turbine with an axial discharge housing. All elements which are not essential for the understanding of the invention, such as, for example, the generator, the thermal apparatus, the silencers, etc. have been omitted.
Show it:
Figure 1 shows the thermal part of a gas turbine system in a partial cross section, in a schematic representation.
2 shows a diagram to illustrate the change in the NOx emission of a gas turbine with the flame temperature;
3 shows a diagram to illustrate the degree of denitration as a function of the gas temperature;
Fig. 4 shows the arrangement of a deflecting body.
Way of carrying out the invention
In Fig. 1, the flow directions of the working media are indicated by arrows. Although open gas turbines are well known, their operation will be briefly explained. For the sake of a better overview, the compressors 2 and gas turbine 3 arranged on a common shaft 1 are shown with a common housing 4. The combustion chamber 5 is flanged to a connection piece of this housing. It is understood that the type of combustion chamber is irrelevant to the invention. The combustion air drawn in from the environment is compressed in the axial compressor 1 equipped with guide and moving blades and, in the case of the combustion chamber shown, passes between the outer wall 6 and the inner wall 7 to the primary air inlet 8, which is provided with a swirl body 9 in the form of vortex blades. The swirl body surrounds the fuel nozzles or, in short, the burner 10.
The air reaches the primary zone 11 through the vortex blades, in which the combustion process takes place.
Here, on the occasion of the formation of the NOx, the above-mentioned supply of water in liquid or vapor form is generally carried out in order to lower the flame tip temperatures. In another way, the flame temperature can be reduced by using special LOW-DRY-NOx burners.
Good mixing of the outflowing gases is achieved in the mixing zone 11 by introducing mixed air through the openings 12. The high degree of turbulence causes a uniform temperature distribution at the combustion chamber outlet, from which the high-energy gases flow into the blading of the gas turbine 3 via the nozzle 13 designed as an annular chamber and drive it. After delivering most of its energy to the shaft 1, the exhaust gases leave the turbine 3 via the diffuser 14, the axial exhaust pipe 15 and the vertical chimney 16. For the low-loss and usually unevenness-causing deflection of the exhaust gas flow - among other things, the one not shown Muffler in the chimney could endanger - from the horizontal to the vertical, a deflector 17 is provided with a vane grille 18 arranged therein.
As far as construction and operation are concerned, gas turbines are well known.
According to the invention, a catalytic converter 19 is now arranged at the end of the cycle. In the present example, this takes place inside the chimney 16, which is of course not a requirement. This catalyst can work, for example, according to the so-called SCR process. In this case, the catalyst can be ceramic elements with a honeycomb structure, the main component of which is e.g. Titanium oxide as a porous base material, which is derived from the active substance, e.g. Vanadium pentoxide is interspersed. However, the catalytic converter can also be designed as a plate catalytic converter, in which the catalytic mass is applied to a metal grid. The reactions take place due to the partial pressure changes and other influences in the pores of the highly porous material.
The diagram in FIG. 2 shows the exponential relationship between the generation of NOx, represented as a dimensionless NOx index on the ordinate, and the flame temperature, represented in [DEG C] on the abscissa, in a gas turbine combustion chamber.
The diagram in FIG. 3 illustrates the achievable degree of denitrification of the exhaust gases, shown in [%] on the ordinate, as a function of the gas temperature, shown in [DEG C] on the abscissa. The area with the best possible denitrification is of the order of approx. 350-400 ° C.
However, the exhaust gases from open gas turbines at the turbine outlet have considerably higher temperatures in the range from 500 to 600 ° C. According to the invention, a means must therefore be provided in order to reduce the gas temperatures which are too high for the catalytic converter 19. This agent is an air injector 20 which opens into the exhaust pipe 15. It is expediently arranged at such a distance from the outlet diffuser 14 that its functioning is not impaired.
The simplest embodiment of the injector is designed as follows:
In order to generate the pressure difference necessary for the suction of the ambient air, the gas flow delayed in the diffuser 14 and possibly rectified by means not shown must be accelerated again. This is done by reducing the cross section of the exhaust pipe 15 at its outlet. For this purpose, the end part 21 of the exhaust pipe is conically narrowed; it thus forms the inner wall of the injector. The sen outer wall consists of a correspondingly adapted cone 22 which surrounds the end part 21 over its entire circumference. The cone 22 merges into a cylindrical section 23 on the machine side and into a mixing tube 24 on the chimney side. The cylindrical part 23 of the injector closes on the inlet side with a suction port 25 that is well designed in terms of flow technology.
The gas flow strongly accelerated in the conical end part 21 of the exhaust pipe 15 creates a strong negative pressure in the outlet plane of the exhaust pipe. This causes ambient air to be drawn in via the annular cross section of the injector 20. Exhaust gas and mixed air flow together into the mixing tube 24, which in turn opens into the deflection bend 17 of the chimney 16. The mixing tube 24 is dimensioned in its axial extent so that gas and intake air are mixed well in front of the deflection elbow and have a common mixture speed.
It goes without saying that in connection with the dimensioning of the injector 20 and the mixing section, absolute values have to be omitted, since these values are anyway not sufficiently meaningful due to their dependence on too many parameters. The only thing that matters is that the injector system is designed so that at the highest exhaust gas temperature, the smallest exhaust gas quantity, the highest ambient temperature and fully open flow control means, the amount of ambient air drawn in is sufficient to cool the exhaust gases down to the maximum permissible temperature.
The flow control means mentioned in the present case consist of a ring of, for example, twenty-four deflecting bodies 26 in the form of straight, profiled or non-profiled blades, which are arranged evenly distributed over the circumference in the cylindrical part of the injector. Of course, blades with a non-straight skeleton line can also be used.
Fig. 4 shows an example of the structural installation of such a blade. The same parts as in Fig. 1 are given the same reference numerals. The blade, which can be actuated from the outside by means not shown, such as levers, open-end wrenches, cranks and the like, is rotatably mounted in an eye 27 by means of the pin 28 and is shown in the fully open position.
The adjustment of the blades in the grating is carried out by actuating means, not shown, as are known, for example, from compressor construction. The actual adjustment is preferably carried out automatically as a function of operating parameters such as, in particular, the gas temperature upstream of the catalytic converter. A suitable, permanent temperature measurement is therefore suitable.
When the gas turbine is idling or at low partial load, the inlet cross-section for the ambient air can be completely closed by adjusting the blades, so that the gas temperature remains at the level required for the correct functioning of the catalytic converter.