DE10230610A1

DE10230610A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verhinderung von Ablagerungen in Dampfsystemen

Info

Publication number: DE10230610A1
Application number: DE10230610A
Authority: DE
Inventors: Erhard Liebig; Robert Svoboda
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: GE Vernova GmbH
Priority date: 2001-07-23
Filing date: 2002-07-08
Publication date: 2003-02-13
Also published as: US6881244B2; US20030015475A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verhinderung der Ablagerung von Verunreinigungen in Dampfsystemen. Bei einem derartigen Verfahren werden Ablagerungen in einfacher und wirtschaftlicher Weise dadurch verhindert, dass in den Dampf ein Additiv dosiert wird, welches auf der dampfseitigen Oberfläche des Dampfsystems haftet und gegenüber Feuchte und Verunreinigungen abstoßend wirkt.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verhinderung der Ablagerung von Verunreinigungen in Dampfsystemen. Ausserdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

STAND DER TECHNIK

Zur Kühlung thermisch hoch belasteter Bauteile von Energiemaschinen, beispielsweise einer Gasturbinenanlage, beabsichtigt man aus Effizienzgründen in zunehmendem Masse, Dampf als Kühlmittel einzusetzen. Dieser Dampf kann als Dampf, aber auch als Dampf-Luft- Gemisch, die zu kühlenden Bauteile in einem offenen, halb offenen oder geschlossenen System durchströmen.
In einem offenen Dampfsystem wird der Dampf von einer Vorrichtung zur Dampfbereitstellung (Abhitzekessel, Dampfturbinenanlage, Hilfsdampferzeuger, . . .) zur Vorrichtung zur Dampfverwendung, beispielsweise einer Gasturbinenanlage geführt, um deren Bauteile unter Erwärmung zu kühlen. Der Kühldampf gelangt nach dem Durchströmen des Kühlsystems der beispielsweisen Gasturbinenanlage in das Arbeitsmittel der Gasturbinenanlage und mit diesem letztlich in die Atmosphäre.
In einem halb offenen Dampfsystem wird der Dampf von einer Vorrichtung zur Dampfbereitstellung (Abhitzekessel, Dampfturbinenanlage, Hilfsdampferzeuger, . . .) zur Vorrichtung zur Dampfverwendung, beispielsweise einer Gasturbinenanlage, geführt, um deren Bauteile unter Erwärmung zu kühlen. Der Kühldampf wird nach dem Durchströmen des Kühlsystems der Gasturbinenanlage einer Vorrichtung zur Dampfabnahme (Abhitzekessel, Dampfturbinenanlage, technologischer Prozess, . . .) zugeführt.
In einem geschlossenen Dampfsystem ist die Vorrichtung zur Dampfbereitstellung (Dampfkühler, Dampfgebläse, Dampffilter, . . .) mit der Vorrichtung zur Dampfabnahme identisch. Durch die Vorrichtung zur Dampfbereitstellung wird der Vorrichtung zur Dampfverwendung, in unserem Fall der Gasturbinenanlage, Dampf mit den entsprechenden Parametern zur Verfügung gestellt. Nach dem Durchströmen des Kühlsystems der Gasturbinenanlage wird der Dampf zur Vorrichtung zur Dampfbereitstellung zurückgeführt, um die zur Aufrechterhaltung des Kreislaufes notwendige Druckerhöhung, Kühlung, Reinigung u. dgl. vorzunehmen.
Die unterschiedlichen Dampfsysteme wurden am Beispiel eines Dampfsystems zur Kühlung von Gasturbinenanlagen erläutert. Obwohl die Hauptfunktion des Dampfes in diesem Beispiel auf der Kühlung von Bauteilen liegt, unter welcher der Dampf eine Erwärmung erfährt, gibt es auch Bereiche innerhalb eines solchen Systems, beispielsweise Rohrleitungen oder Armaturen, in welchen sich der Dampf abkühlt. Bei den Dampfsystemen kann es sich aber gleichermassen auch um Heizsysteme auf der Basis von Dampf handeln. Die Dampfsysteme schliessen daher sowohl Kühlsysteme, in welchen der Dampf eine Erwärmung erfährt, als auch Heizsysteme, in welchen der Dampf eine Abkühlung erfährt, ein.
Bei der Dampfeinspritzung (steam injection) zur Leistungssteigerung wird Dampf als zusätzliches Arbeitsmittel zur Erhöhung des Massenstromes des Arbeitsmittels in die Gasturbinenanlage eingespritzt. Dies kann wiederum in Form der direkten Einspritzung von Dampf in das Arbeitsmittel oder indirekt nach der Durchströmung von zu kühlenden Gasturbinenbauteilen erfolgen. Der Dampf kann aber auch in Form eines Dampf-Luft-Gemisches, d. h. in Kombination mit Kühlluft über ein offenes Luftkühlsystem wiederum indirekt, d. h. nach der Durchströmung von zu kühlenden Gasturbinenbauteilen, in das Arbeitsmittel eingespritzt werden.
Man verwendet das Verfahren der Dampfeinspritzung, d. h. der Dampfeinführung in das Arbeitsmittel der Gasturbinenanlage, auch beim Cheng-Cycle. Beim Cheng-Cycle wird zur Vermeidung einer Dampfturbinenanlage sowie der zum Betrieb der Dampfturbinenanlage erforderlichen Systeme der im Abhitzekessel erzeugte Dampf vollständig in die Gasturbinenanlage eingespritzt.
Verunreinigungen von dampflöslichen Substanzen in derart geführtem Dampf können auf vom Dampf umströmten Komponenten zu Ablagerungen führen und sind deshalb problematisch. Unter der Vielzahl möglicher Verunreinigungen sind die Silikate in Bezug auf mögliche Ablagerungen wegen der Probleme bei der Reinigung von Zusatzwasser und Kondensat sowie der häufigen Verschmutzung bei Montage- und Revisionsarbeiten von besonderer Bedeutung. Stellvertretend für die Vielzahl möglicher Verunreinigungen sind daher Silikate beispielhaft genannt.
Die hochpräzisen Bauteile einer Gasturbinenanlage, die kleinen Abmessungen der Kühlkanäle, die hohen Anforderungen an die Strömungsbedingungen und dergleichen resultieren in der Notwendigkeit, eine hohe Dampfqualität zu garantieren. Ohne diese Reinheit kommt es zu Ablagerungen innerhalb der Dampfsysteme, die Leistungsfähigkeit der Anlagen wird herabgesetzt und Revisionen mit entsprechenden Standzeiten der Anlagen werden erforderlich. Dies ist insbesondere für die offenen und halb offenen Systeme von Bedeutung, weil bei diesen Systemen der Kühldampf ständig aufs neue bereitgestellt werden muss und somit immer neue Verunreinigungen ins System gelangen können.
Daraus ergeben sich nicht zuletzt für die zum Einsatz gelangende Dampferzeugertechnologie zahlreiche Zwänge, beispielsweise hinsichtlich der Komponentenauslegung (Dampftrocknung in Trommeln und Separatoren), der Dampftemperaturregelung durch Wassereinspritzung oder Dampfmischung, der chemischen Fahrweisen usw.
Man versucht derzeit, für derartige Dampfsysteme durch entsprechende Konzepte der Speisewasserbereitstellung und der Dampferzeugung eine mit grosser Zuverlässigkeit Ablagerungen vermeidende hohe Dampfqualität sicherzustellen. So sind zahlreiche Verfahren der Dampfmischung bekannt, um die Dampftemperatur ohne Wassereinspritzung regeln zu können. Ferner werden spezielle Dampffilter, insbesondere für geschlossene Dampfsysteme, empfohlen.
Alle diese Ansätze beruhen darauf, für derartige Dampfanwendungen mit nachteilig hohem technischen und damit auch finanziellem Aufwand beispielsweise die Erzeugung sehr reinen Zusatzwassers zu garantieren, durch Kondensatreinigungsanlagen eine hohe Reinheit des Speisewassers in Wasser-/Dampf-Kreisläufen sicherzustellen, eine Verunreinigung des Dampfes durch entsprechende Verfahren der Dampferzeugung und Dampfparameterregelung zu vermeiden, den Dampf durch geeignete Filter von Verunreinigungen zu befreien sowie in den betreffenden Systemen chemischen Wechselwirkungen, z. B. Korrosion, durch geeignete Materialwahl vorzubeugen. Der Einsatz dieser Massnahmen erfolgt sowohl einzeln als auch in Kombination.
Nachteilig bei diesen Möglichkeiten ist, dass man beispielsweise bewährte chemische Fahrweisen bei Dampferzeugern nicht mehr einsetzen kann. Zudem bringen Kondensatreinigungsanlagen neben einem hohen Investitions- und Betriebsaufwand zusätzliche Risiken mit sich. Auch Dampffilter zur Abscheidung von im Dampf mitgeführten Partikeln sind nur beschränkt wirksam.
Alternativ wird nach dem Stand der Technik jedoch beschränkt auf den Bereich der Dampferzeugung bzw. Verdampfung, d. h. des Überganges von Wasser vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand, die Dosierung verschiedener Additive, im speziellen von Aminen, in das Speisewasser vorgeschlagen, um in diesem begrenzten Bereich die Bildung von Ablagerungen zu begrenzen bzw. bereits vorhandene Ablagerungen teilweise zu beseitigen. So beschreiben z. B. die US 4,476,930 und die US 6,017,399 Möglichkeiten zur Begrenzung von Ablagerungen in Verdampfersystemen durch Additive, auch im Zusammenhang mit der Verminderung von Korrosion.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verhinderung der Ablagerung von Verunreinigungen in Dampfsystemen zur Verfügung zu stellen, bei welchem die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden. Insbesondere soll ein Verfahren vorgeschlagen werden, bei welchem es nicht notwendig ist, mit grossem Aufwand das für das Dampfsystem verwendete Arbeitsmittel in höchstem Grade von Verunreinigungen zu befreien bzw. auch nur eine geringste Verunreinigung desselben zu verhindern.

Die erfindungsgemässe Lösung der obigen Aufgabe besteht darin, bei derartigen Dampfsystemen ein Additiv zu dosieren, welches auf der dampfseitigen Oberfläche des Dampfsystems haftet und gegenüber Feuchte und Verunreinigungen abstossend wirkt. Der Kern der Erfindung besteht somit darin, mittels eines Additivs einen Film auf den vom Dampf umströmten Bauteilen auszubilden, welcher Ablagerungen wirkungsvoll verhindern kann.

Bei den Dampfsystemen kann es sich um offene, halb offene oder geschlossene Dampfsysteme handeln. Das Arbeitsmittel im Dampfsystem kann Dampf oder ein Dampf-Luft-Gemisch sein. Beim Dampfsystem kann es sich um wenigstens eine Vorrichtung zur Dampfbereitstellung und wenigstens eine Vorrichtung zur Dampfverwendung und gegebenenfalls zusätzlich eine Vorrichtung zur Dampfabnahme handeln.

Unter der Vielzahl möglicher Verunreinigungen sind die Silikate in Bezug auf mögliche Ablagerungen wegen der Probleme bei der Reinigung von Zusatzwasser und Kondensat sowie der häufigen Verschmutzung bei Montage- und Revisionsarbeiten von besonderer Bedeutung. Stellvertretend für die Vielzahl möglicher Verunreinigungen sind daher Silikate beispielhaft genannt.

Als Additive bieten sich filmbildende Substanzen, beispielsweise Amine oder verwandte filmbildende Substanzen, an. Dabei können als Amine sowohl Monoamine als auch Polyamine eingesetzt werden. Ein besonders bevorzugtes Amin ist Octadecylamin. Die Additive können dabei aus nur einem Stoff oder einem Stoffgemisch bestehen. Die Additive können in reiner Form oder als wässrige Lösung dosiert werden.

Additive haben üblicherweise eine begrenzte Lebensdauer. Dies gilt insbesondere für organische Substanzen, deren Lebensdauer infolge thermischer Zersetzung von der Temperatur abhängt. Die begrenzte Lebensdauer der Additive kann nun gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens vorteilhaft genutzt werden, um die Filmhöhe zu regeln. Aus Gründen der Zweckmässigkeit sollten die Additive jedoch eine gewisse Mindestlebensdauer, welche mindestens gleich möglichst aber grösser als die Aufenthaltszeit während der Durchströmung der Vorrichtung zur Dampfverwendung ist, aufweisen. Durch den ständigen kontrollierten Abbau des Additivs kann damit auch eine Akkumulation des Additivs innerhalb des Dampfsystems vermieden werden.

In vorteilhafter Weise sollten nur solche Additive verwendet werden, bei deren thermischer Zersetzung vorzugsweise nur solche Stoffe und nur in solchen Mengen bzw. Konzentrationen entstehen, welche hinsichtlich Toxizität, Brennbarkeit und Korrosivität vergleichbar mit dem Additiv sind. Bei den Zersetzungsprodukten handelt es sich dabei um eines oder mehrere der folgenden Produkte: CO, CO₂, H₂O, NH₃, H₂, N₂, NO₂, niederkettige Amine.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Additiv im Dampfsystem auf vom Dampf umströmten Bauteilen einen Film einer bestimmten Filmhöhe ausbildet, und dass diese Filmhöhe während des Betriebes durch eine entsprechende Dosierung des Additivs, beispielsweise in Abhängigkeit seiner Lebensdauer, kontrolliert, insbesondere bevorzugt in einem kontrollierten Bereich (vorgegebener Sollbereich) eingestellt wird. Letztlich ermöglicht erst das Abbauverhalten der Additive die Kontrolle der Filmdicke und deren Zusammensetzung.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des obigen Verfahrens beruht darauf, dass das Additiv zeitlich periodisch oder kontinuierlich und qualitativ in Funktion seiner Lebensdauer dosiert wird.

Das Verfahren kann insbesondere bei Dampfsystemen von Gasturbinenanlagen Anwendung finden, insbesondere bei Systemen zur Dampfeinspritzung in die Gasturbinenanlage oder zur Dampfkühlung von Bauteilen einer Gasturbinenanlage. Besonders vorteilhaft lässt es sich einsetzen, wenn der Dampf durch die Leit- und/oder Laufschaufeln der Gasturbinenanlage strömt und die Ablagerungen insbesondere in diesen Elementen verhindert werden sollen.

Eine weitere Anwendungsform des obigen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Additiv zwischen der Vorrichtung zur Dampfbereitstellung und der Vorrichtung zur Dampfverwendung dosiert wird. Dabei kann es vorteilhaft sein, das Additiv unmittelbar vor der Vorrichtung zur Dampfverwendung zu dosieren.

Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines obengenannten Verfahrens, umfassend ein Dampfsystem mit wenigstens einer Vorrichtung zur Dampfbereitstellung und wenigstens einer Vorrichtung zur Dampfverwendung, sowie gegebenenfalls mit wenigstens einer Vorrichtung zur Dampfabnahme. Die Vorrichtung zeichnet sich dabei dadurch aus, dass Mittel vorgesehen sind, welche die gezielte Beimischung eines Additivs in das Dampfsystem erlauben, wobei das Additiv auf der dampfseitigen Oberfläche des Dampfsystems haftet und gegenüber Feuchte und Verunreinigungen abstossend wirkt, und wobei diese Mittel bevorzugt mit einer Regelung ausgestattet sind, insbesondere bevorzugt zur Regelung der Filmhöhe des Additivs auf den Bauteilen des Dampfsystems.

Gemäss einer ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung sind die Mittel zur gezielten Beimischung zwischen der Vorrichtung zur Dampfbereitstellung und der Vorrichtung zur Dampfverwendung möglichst unmittelbar vor der Vorrichtung zur Dampfverwendung angeordnet.

Unter einer Vorrichtung zur Dampfbereitstellung soll insbesondere eine Vorrichtung verstanden werden, welche den für die entsprechende Verwendung erforderlichen Dampf parametergerecht (Druck, Temperatur, Massenstrom) erzeugt bzw. bereitstellt. Es kann sich dabei um Kessel bzw. Dampferzeuger, Dampfnetze oder im Zusammenhang mit Kombikraftwerken auch um Abhitzekessel oder Entnahmen/Anzapfungen von Dampfturbinenanlagen handeln. Dampfgebläse, Dampfkühler, Dampfheizer, Dampffilter, . . . können ebenso Bestandteil einer Vorrichtung zur Dampfbereitstellung sein.

Innerhalb der Vorrichtung zur Dampfverwendung hat der Dampf eine bestimmte Kühl- bzw. Heizfunktion zu erfüllen. Es handelt sich im Falle des Ausführungsbeispieles um die Kühlung der thermisch hoch belasteten Bauteile des Heissgaspfades einer Gasturbinenanlage.

Innerhalb der Vorrichtung zur Dampfabnahme wird der Dampf nach dem Verlassen der Vorrichtung zur Dampfverwendung genutzt oder einer weiteren energetischen oder stofflichen Nutzung zugeführt. Es kann sich dabei um Kessel bzw. Dampferzeuger, Dampfnetze, technologische Dampfverbraucher, Dampfkühler, Dampfheizer oder im Zusammenhang mit Kombikraftwerken auch um Abhitzekessel oder Dampfturbinenanlagen handeln.

Zur Sicherstellung der Funktionsfähigkeit und Betriebssicherheit des Dampfsystems müssen die Zersetzungsprodukte des Additivs ausgeschleust werden. Dies geschieht bei den offenen Dampfsystemen kontinuierlich über das Arbeitsmittel und bei den halb offenen Systemen möglicherweise durch ohnehin vorhandene Entgasungs- und Reinigungsvorrichtungen, beispielsweise innerhalb eines Wasser-/Dampf-Kreislaufes. Sind diese Bedingungen nicht erfüllt oder sind, wie bei den geschlossenen Dampfsystemen, derartige Voraussetzungen nicht gegeben, so sind die Dampfsysteme weiterhin bevorzugt mit Entgasungs- und Reinigungsvorrichtungen zur Abscheidung und Entfernung von Zersetzungsprodukten des Additivs auszustatten.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schema eines Kombikraftwerkes mit einem offenen Luftkühlsystem,

Fig. 2 ein Schema eines Kombikraftwerkes mit einem offenen Dampfkühlsystem,

Fig. 3 ein Schema eines Kombikraftwerkes mit einem halb offenen Dampfkühlsystem,

Fig. 4 ein Schema eines Kombikraftwerkes mit einem geschlossenen Dampfkühlsystem.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt als Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemässe Verfahren eine schematische Darstellung eines Kombikraftwerkes mit Einwellenanlage. Der Wasser-/Dampf-Kreislauf mit Abhitzekessel 7 und Dampfturbinenanlage 13 ist beispielhaft als Eindruckprozess mit Zwischenüberhitzung 17 ausgeführt.

Unter einem Kombikraftwerk wird im weiteren die Kopplung eines Gas- und eines Dampfprozesses in Form einer Gasturbinenanlage und einer Dampfturbinenanlage verstanden. Die Wärme der Abgase der Gasturbine der Gasturbinenanlage dient dabei zur Dampferzeugung in einem Abhitzekessel. Der erzeugte Dampf wird mittels der Dampfturbinenanlage zur Stromerzeugung genutzt.

Das Kombikraftwerk weist gemäss der Fig. 1 eine Gasturbinenanlage 1 auf, deren Abgas 6 einem Abhitzekessel 7 zugeführt wird. Die Gasturbinenanlage 1 besteht aus einem Verdichter 2, einer Brennkammer 3 und einer Gasturbine 4. Die Gasturbine 4, der Verdichter 2 und der Generator 5 sind auf einer gemeinsamen Welle 8 angeordnet. Die Gasturbine 4 treibt über diese gemeinsame Welle 8 sowohl den Verdichter 2 als auch den Generator 5 an. Die Gasturbinenanlage 1 und der Generator 5 werden als Gasturbosatz bezeichnet. Die über eine Ansaugluftleitung 9 dem Verdichter 2 zugeführte Luft gelangt nach der Verdichtung im Verdichter 2 als Verbrennungsluft 10 in die Brennkammer 3. In der Brennkammer 3 wird über die Brennstoffleitung 11 zugeführter Brennstoff verbrannt. Das in der Brennkammer 3 erzeugte Heissgas 12 gelangt zur Gasturbine 4 und wird dort arbeitsleistend entspannt.

Das den Verdichter 2, die Brennkammer 3 und die Gasturbine 4, d. h. die Gasturbinenanlage 1 durchströmende Medium wird auch als Arbeitsmittel bezeichnet.

Eine Gasturbinenanlage kann auch mehrere Brennkammern und mehrere Gasturbinen aufweisen. So sind beispielsweise bei Gasturbinenanlagen mit sequentieller Verbrennung einer Hochdruckbrennkammer mit Hochdruckturbine eine Niederdruckbrennkammer mit Niederdruckturbine nachgeschaltet. Auch kann eine Gasturbinenanlage mehrere Verdichter aufweisen.

Der im Abhitzekessel 7 in einer Druckstufe erzeugte Frischdampf wird über die Frischdampfleitung 28 einer Dampfturbinenanlage 13 zugeführt. Der Frischdampf wird nach dessen Bearbeitung in der Hochdruckdampfturbine 14 der Dampfturbinenanlage 13 über die kalte Zwischenüberhitzerdampfleitung 16 dem Zwischenüberhitzer 17 des Abhitzekessels 7 zugeführt, dort erneut überhitzt und über die heisse Zwischenüberhitzerdampfleitung 18 der Mitteldruck- /Niederdruckdampfturbine 15 der Dampfturbinenanlage 13 zugeführt.

Diese Dampfturbinenanlage 13 besteht aus einer Hochdruckdampfturbine 14 und einer Mitteldruck-/Niederdruckdampfturbine 15. Im vorliegenden Fall treibt die Dampfturbinenanlage 13 über eine Kupplung 19 ebenfalls den Generator 5 an. In Fällen in denen sich die Gasturbinenanlage 1 und die Dampfturbinenanlage 13 mit dem Generator 5 auf einer Welle 8 befinden, spricht man auch von Einwellenanlagen. Verfügen die Gasturbinenanlage 1, bestehend aus Verdichter 2, Brennkammer 3 und Gasturbine 4, und die Dampfturbinenanlage 13 jeweils über einen eigenen Generator 5, so wird dies als eine Mehrwellenanlage bezeichnet. In Analogie zum Gasturbosatz (Gasturbinenanlage und Generator) spricht man bei einer Dampfturbinenanlage mit Generator auch vom Dampfturbosatz.

Der in der Dampfturbinenanlage 13 abgearbeitete Dampf strömt in einen Kondensator 20. Nach der Kondensation des Abdampfes im Kondensator 20 wird das Kondensat von der Kondensatpumpe 21 zum Speisewasserbehälter/Entgaser 22 gefördert, dort entgast und gespeichert.

Vom Speisewasserbehälter/Entgaser 22 wird mittels der Speisewasserpumpe 23 Speisewasser zu einem Economizer 24 gefördert und strömt von diesem zur Dampftrommel 25. Die Dampftrommel 25 steht mit dem Verdampfer 26 in Verbindung. Der Dampftrommel 25 folgt ein Überhitzer 27, an welchem die Frischdampfleitung 28 anschliesst, die den erzeugten Frischdampf zur Hochdruckdampfturbine 14 der Dampfturbinenanlage 13 führt. Der in der Dampftrommel 25 vorhandene Sattdampf dient ebenfalls zur Entgasung des Kondensates im Speisewasserbehälter/Entgaser 22.

Der Economizer 24, die Dampftrommel 25, der Verdampfer 26 und der Überhitzer 27 bilden zusammen ein bei einer bestimmten Druckstufe arbeitendes Dampferzeugungssystem.

Moderne Abhitzekessel 7 für grosse Gasturbinenanlagen 1 verfügen heute über bis zu drei Druckstufen. Im vorliegenden Falle wurde ein Abhitzekessel 7 bestehend aus Trommel- Umlaufverdampfer beschrieben. Daher wird das durch den Economizer 24 vorgewärmte Speisewasser in die Dampftrommel 25 gefördert. Das Trommelwasser wird im System Dampftrommel-Verdampfer 25, 26 umgewälzt und dabei anteilig verdampft. In der Dampftrommel 25 erfolgt die Separation von Wasser und Dampf. Das Wasser wird erneut dem Verdampfer 26 zugeführt, während der Dampf direkt oder über einen möglicherweise vorhandenen Überhitzer 27 zur Dampfturbinenanlage 13 gelangt.

Nach dem Durchströmen des Abhitzekessels 7 gelangt das Abgas 6 schliesslich über einen Kamin 29 ins Freie.

Ebenfalls in der Fig. 1 dargestellt ist ein offenes Luftkühlsystem 30 mit dem Kühlluftkühler 31 und den Kühlluftleitungen 32. Die Kühlluft wird dem Verdichter 2 an geeigneter Stelle entnommen, in einem möglicherweise vorhandenen Kühlluftkühler 31 rückgekühlt und nachfolgend zur Kühlung insbesondere der Bauteile des Heissgaspfades, d. h. der Brennkammer 3 und der Gasturbine 4 der Gasturbinenanlage 1, verwendet. Nach dem Durchströmen der zu kühlenden Konstruktionen gelangt die Kühlluft in das Arbeitsmittel der Gasturbinenanlage 1. Wie bereits erwähnt, kann der Kühlluft zur Erhöhung der Kühlleistung oder zur Leistungssteigerung der Gasturbinenanlage 1 an geeigneter Steile 37 Dampf zugemischt werden.

In der Fig. 2 ist ein offenes Dampf(kühl)system 33 dargestellt. Der Kühldampf wird an geeigneter Stelle dem Abhitzekessel 7, der Dampfturbinenanlage 13 oder wie im vorliegenden Fall der kalten Zwischenüberhitzerdampfleitung 16 (Vorrichtung zur Dampfbereitstellung) entnommen und über das Dampf(kühl)system 33 den zu kühlenden Bauteilen der Gasturbinenanlage 1 (Vorrichtung zur Dampfverwendung) zugeführt. Nach dem Durchströmen der zu kühlenden Konstruktionen gelangt der Kühldampf in das Arbeitsmittel der Gasturbinenanlage 1.

In der Fig. 3 ist ein halb offenes Dampf(kühl)system 33 dargestellt. Der Kühldampf wird an geeigneter Stelle dem Abhitzekessel 7, der Dampfturbinenanlage 13 oder wie im vorliegenden Fall der kalten Zwischenüberhitzerdampfleitung 16 (Vorrichtung zur Dampfbereitstellung) entnommen und über das Dampf(kühl)system 33 den zu kühlenden Bauteilen der Gasturbinenanlage 1 (Vorrichtung zur Dampfverwendung) zugeführt. Nach dem Durchströmen der zu kühlenden Konstruktionen gelangt der Kühldampf zum Abhitzekessel 7, zum Wasser-/Dampf- Kreislauf oder wie im vorliegenden Fall zur Dampfturbinenanlage 13 (Vorrichtung zur Dampfabnahme) zurück.

Bei den offenen und halb offenen Systemen, welche ständig mit Dampf versorgt werden müssen, bieten sich als Dampfentnahmen im Bereich des Abhitzekessels 7 die Dampftrommel 25, der Überhitzer 27, die Frischdampfleitung 28, der Zwischenüberhitzer 17 usw. an. Der Dampf kann aber auch einer Anzapfung oder Entnahme der Dampfturbinenanlage 13 oder einer anderen vorteilhaften Stelle im Wasser-/Dampf-Kreislauf entnommen werden.

Für die Rücknahme des Dampfes von der Gasturbinenanlage 1 im Falle der halb offenen Systeme bieten sich wiederum der Abhitzekessel 7 oder die Dampfturbinenanlage 13 an.

In der Fig. 4 ist ein geschlossenes Dampf(kühl)system dargestellt. Der Kühldampf wird im Dampfkühler 34 gekühlt. Ein Dampfgebläse 35 dient der Förderung des Kühldampfes im Dampf(kühl)system, d. h. zu den zu kühlenden Bauteilen der Gasturbinenanlage 1 (Vorrichtung zur Dampfverwendung) und zurück zum Dampfkühler 34. Die durch Kühlung der Bauteile der Gasturbinenanlage 1 aufgenommene Wärme wird über den Dampfkühler 34 abgeführt. Möglicherweise vorhandene Dampffilter 36 sollten zweckmässigerweise unmittelbar vor der Gasturbinenanlage 1 angeordnet sein.

Unter einer Vorrichtung zur Dampfbereitstellung soll im folgenden eine Vorrichtung verstanden werden, welche den für die entsprechende Verwendung erforderlichen Dampf parametergerecht (Druck, Temperatur, Massenstrom) erzeugt bzw. bereitgestellt. Es kann sich dabei um Kessel bzw. Dampferzeuger, Dampfnetze oder im Zusammenhang mit Kombikraftwerken auch um Abhitzekessel oder Entnahmen/Anzapfungen von Dampfturbinenanlagen handeln. Dampfgebläse, Dampfkühler, Dampfheizer, Dampffilter, . . . können ebenso Bestandteil einer Vorrichtung zur Dampfbereitstellung sein.

Der Aufbau des beschriebenen Wasser-/Dampf-Kreislaufes, des Abhitzekessels 7, der Gasturbinenanlage 1 und der Dampfturbinenanlage 13 ist lediglich als ein Beispiel zu betrachten, da, wie allgemein bekannt ist, derartige Komponenten bzw. Systeme sehr unterschiedlich ausgebildet sein können.

In Dampfsystemen von Gasturbinenanlagen (Dampfeinspritzung, Dampfkühlung usw.) herrschen typischerweise Temperaturen im Bereich von 250 bis 580°C und Drücke im Bereich von 20 bis 40 bar.

Insbesondere in jenen Bereichen innerhalb eines Dampfsystems, in welchen Temperatur- und/oder Druckabfälle auftreten, können sich leicht zu Problemen führende Ablagerungen bilden. Es zeigt sich nun, dass oberflächenaktive Additive Einfluss auf die Ablagerung von Verunreinigungen an den Oberflächen innerhalb von Dampfsystemen haben. Diese Eigenschaft kann unter verschiedensten Bedingungen innerhalb von Dampfsystemen von Gasturbinenanlagen 1 nutzbringend eingesetzt werden, um die Ablagerung von Verunreinigungen wirkungsvoll zu verhindern. Dies ist insbesondere bei den Verfahren der Dampfeinspritzung und Dampfkühlung vorteilhaft, und ganz besonders dann, wenn Ablagerungen im Inneren von Leit- und/oder Laufschaufeln zu verhindern sind. Dies kann ggf. in Kombination mit anderen Ablagerungen verhindernden Massnahmen erfolgen.

Die zur Verhinderung der Ablagerung von Verunreinigungen einzusetzenden Additive sollen erfindungsgemäss zum einen in der Lage sein, einen Film auf den Konstruktionsoberflächen zu bilden, d. h. sie sollen in der Lage sein, an den Oberflächen zu haften. Andererseits sollen die Additive gegenüber Verunreinigungen und Feuchte abstossend wirken, um so die Ablagerung von Verunreinigungen zu verhindern.

Der Filmaufbau durch die Additive, sprich die Filmhöhe, sollte dabei vorteilhafterweise begrenzbar sein, bzw. es sollte eine Filmhöhe in einem kontrollierten Bereich (vorgegebener Sollbereich) realisiert werden können. Ferner sollte die Akkumulation von Additiven, insbesondere an strömungstechnisch kritischen Stellen, vermieden werden. Dies kann man beispielsweise dadurch erreichen, dass diese als Additive verwendeten Stoffe oder Stoffgemische eine begrenzte Lebensdauer haben. Damit werden die Additive innerhalb des Dampfsystems ständig abgebaut, und der Aufbau eines Films kann infolgedessen durch die Dosierung der Additive gesteuert werden. Dabei sollte darauf geachtet werden, dass im Falle der Zersetzung der verwendeten Additive möglichst keine toxischen, brennbaren und korrosiven Produkte entstehen.

Man benötigt also zur Dosierung oberflächenaktive Additive, welche sich an vorzugsweise metallischen Oberflächen anlagern. Diese Forderungen erfüllen beispielsweise die sogenannten filmbildenden Amine, welche nachfolgend stellvertretend für die geforderten Eigenschaften der Additive beschrieben werden.

Als Amine sind in diesem Zusammenhang Kohlenwasserstoffketten definierter Länge mit einer Aminogruppe NH, NH₂ (Monoamine) oder mehreren Aminogruppen (Polyamine) und einer Alkylkette (CH₂) zu verstehen. Die Stickstoffatome der Aminogruppe haben durch das freie Elektronenpaar eine starke Affinität zu den Protonen metallischer Kerne, wie Eisen oder Kupfer. Dadurch lagern sich die Aminogruppen adsorptiv an der Oberfläche eines Metalles an. Damit gehören die Amine zu den typischen grenzflächenaktiven Substanzen. Durch die Bindung der Aminogruppe an die Oberfläche kommt es zur Überfilmung bzw. Versiegelung von Metalloberflächen. Der aliphatische bzw. hydrophobe Teil des Amins ist dem Wasser bzw. Dampf zugekehrt und wirkt abstossend gegenüber Feuchte und Verunreinigungen. Ablagerungen werden so unmöglich bzw. zumindest erheblich erschwert.

Da Monoamine nur einen Bindungspunkt mit der metallischen Oberfläche haben, geht der aliphatische Kohlenwasserstoffteil fadenartig von der Oberfläche weg.

Mit der Anzahl der Aminogruppen erhöht sich die Anzahl der Bindungspunkte und damit die Bindefestigkeit der Polyamine. Der Kohlenwasserstoffteil des Amins bleibt in der Nähe der Oberfläche und bildet so einen gegenüber Monoaminen wesentlich stabileren Schutzfilm.

Organische Substanzen unterliegen durch Aufbrechen der chemischen Bindungen einer zunehmenden thermischen Zersetzung mit steigender Temperatur. Es sind jedoch Amine bekannt, deren thermische Zersetzung selbst bei Temperaturen von 500°C nur gering ist. Für die Dosierung in Dampfsysteme sind solche Additive geeignet, deren Lebensdauer möglichst hoch ist. Die Lebensdauer der Additive sollte jedoch mindestens gleich möglichst grösser als die Aufenthaltszeit während der Durchströmung der Vorrichtung zur Dampfverwendung sein.

Bei der thermischen Zersetzung der Amine entstehen CO, CO₂, H₂O, NH₃, H₂, N₂ und NO₂ sowie Teilabbauprodukte in Form von niederkettigen Aminen, z. B. Monoäthanolamin usw. Eine eventuelle Toxizität, Brennbarkeit und Korrosivität (insbesondere der niederkettigeren Amine) ist vergleichbar mit der des Ausgangsproduktes. Die bei völligem Abbau entstehenden Endprodukte sind in den zur Diskussion stehenden Konzentrationen unbedenklich.

D. h., dass sich im Falle geschlossener Dampfsysteme Entgasungs- und Reinigungsmöglichkeiten zur Abscheidung und Entfernung der Zersetzungsprodukte erforderlich machen.

Als Beispiel für ein grenzflächenaktives Amin sei Octadecylamin genannt.

Die Additive können aus nur einem Stoff aber auch aus Gemischen unterschiedlicher Stoffe so beispielsweise auch unterschiedlichen Aminen bestehen. Ferner kann es sich um die wässrige Lösung dieses Stoffes oder Stoffgemisches handeln.

Die Dosierung der Additive in das Dampfsystem kann periodisch oder kontinuierlich erfolgen, möglicherweise auch in Abhängigkeit ihrer Beständigkeit bzw. Lebensdauer unter den konkreten Bedingungen, der Fahrweise, der Anlagenlast usw. Die Dosierstelle 38 (Fig. 1 bis 4) sollte sich zwischen der Vorrichtung zur Dampfbereitstellung und der Vorrichtung zur Dampfverwendung befinden. Besonders vorteilhaft ist eine Dosierung unmittelbar vor der Vorrichtung zur Dampfverwendung. Im Falle von Dampf-Luft-Gemischen sollte das Additiv nach Möglichkeit in den Dampf dosiert werden. Erst danach sollte der Dampf mit der Luft vermischt werden. In den Fig. 1 bis 4 sind verschiedene Möglichkeiten für die Anordnung der Dosierstelle 38 dargestellt. BEZUGSZEICHENLISTE 1 Gasturbinenanlage (bestehend aus 2, 3, 4)
2 Verdichter
3 Brennkammer
4 Gasturbine
5 Generator
6 Abgas, Abgasleitung
7 Abhitzekessel
8 (gemeinsame) Welle
9 Ansaugluftleitung
10 Verbrennungsluft
11 Brennstoffleitung (für Brennkammer 3)
12 Heissgas
13 Dampfturbinenanlage (bestehend aus 14, 15)
14 Hochdruckdampfturbine
15 Mitteldruck-/Niederdruckdampfturbine
16 Kalte Zwischenüberhitzerdampfleitung
17 Zwischenüberhitzer
18 Heisse Zwischenüberhitzerdampfleitung
19 Kupplung
20 Kondensator
21 Kondensatpumpe
22 Speisewasserbehälter/Entgaser
23 Speisewasserpumpe
24 Economizer
25 Dampftrommel
26 Verdampfer
27 Überhitzer
28 Frischdampfleitung
29 Kamin
30 Luftkühlsystem
31 Kühlluftkühler
32 Kühlluftleitung
33 Dampf(kühl)system
34 Dampfkühler
35 Dampfgebläse
36 Dampffilter
37 Dampfzumischung
38 Dosierstelle (für das Additiv)

Claims

1. Verfahren zur Verhinderung der Ablagerung von Verunreinigungen in Dampfsystemen, dadurch gekennzeichnet, dass in den Dampf ein Additiv dosiert wird, welches auf der dampfseitigen Oberfläche des Dampfsystems haftet und gegenüber Feuchte und Verunreinigungen abstossend wirkt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Dampfsystem um ein offenes Dampfsystem, ein halb offenes Dampfsystem oder ein geschlossenes Dampfsystem handelt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dampfsystem wenigstens eine Vorrichtung zur Dampfbereitstellung und wenigstens eine Vorrichtung zur Dampfverwendung sowie gegebenenfalls zusätzlich aus einer Vorrichtung zur Dampfabnahme besteht.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel im Dampfsystem Dampf oder ein Dampf-Luft-Gemisch ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Verunreinigungen beispielsweise um Silikate handelt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim Additiv um eine filmbildende Substanz, insbesondere um ein filmbildendes Amin (Monoamin, Polyamin), vorzugsweise um Octadecylamin oder verwandte filmbildende Stoffe handelt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim Additiv um einen einzigen Stoff, ein Stoffgemisch oder eine wässrige Lösung des einzigen Stoffes bzw. des Stoffgemisches handelt.

8. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Additiv eine begrenzte Lebensdauer aufweist und dass diese Lebensdauer mindestens gleich, insbesondere bevorzugt aber grösser als die Aufenthaltszeit während der Durchströmung der Vorrichtung zur Dampfverwendung ist.

9. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der thermischen Zersetzung des Additivs vorzugsweise nur solche Stoffe und nur in solchen Mengen bzw. Konzentrationen entstehen, welche hinsichtlich Toxizität, Brennbarkeit und Korrosivität vergleichbar mit dem Additiv sind.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Zersetzungsprodukten um eines oder mehrere der folgenden Produkte handelt: CO, CO₂, H₂O, NH₃, H₂, N₂, NO₂, niederkettige Amine.

11. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Additiv im Dampfsystem auf vom Dampf umströmten Bauteilen einen Film einer bestimmten Filmhöhe ausbildet, und dass diese Filmhöhe während des Betriebes durch eine entsprechende Dosierung des Additivs kontrollierbar, insbesondere bevorzugt in einem kontrollierten Bereich (vorgegebener Sollbereich) einstellbar ist.

12. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Additiv periodisch oder kontinuierlich und in Funktion seiner Lebensdauer dosiert wird.

13. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Dampfsystemen um Systeme von Gasturbinenanlagen handelt, insbesondere um Systeme zur Dampfeinspritzung in die Gasturbinenanlage oder zur Dampfkühlung von Bauteilen einer Gasturbinenanlage.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf durch die Leit- und/oder Laufschaufeln der Gasturbinenanlage strömt, und die Ablagerung von Verunreinigungen insbesondere an diesen Elementen verhindert werden soll.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosierung des Additivs zwischen der Vorrichtung zur Dampfbereitstellung und der Vorrichtung zur Dampfverwendung möglichst unmittelbar vor der Vorrichtung zur Dampfverwendung erfolgt.

16. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15, umfassend ein Dampfsystem mit wenigstens einer Vorrichtung zur Dampfbereitstellung und wenigstens einer Vorrichtung zur Dampfverwendung, sowie gegebenenfalls mit wenigstens einer Vorrichtung zur Dampfabnahme, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, welche die gezielte Beimischung eines Additivs in das Dampfsystem erlauben, wobei das Additiv auf der dampfseitigen Oberfläche des Dampfsystems haftet und gegenüber Feuchte und Verunreinigungen abstossend wirkt, und wobei diese Mittel bevorzugt mit einer Regelung ausgestattet sind, insbesondere bevorzugt zur Regelung der Filmhöhe des Additivs auf den Bauteilen des Dampfsystems.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur gezielten Beimischung zwischen der Vorrichtung zur Dampfbereitstellung und der Vorrichtung zur Dampfverwendung möglichst unmittelbar vor der Vorrichtung zur Dampfverwendung angeordnet sind.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Dampfbereitstellung den für das Dampfsystem erforderlichen Dampf parametergerecht erzeugt bzw. bereitstellt, wobei es sich vorzugsweise um einen Dampferzeuger, einen Abhitzekessel, ein Dampfnetz, eine Dampfturbinenanlage oder Wärmeübertrager, Gebläse, Filter u. dgl. handelt.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Dampfverwendung diejenige Vorrichtung ist, in welcher der Dampf eine bestimmte Kühl- bzw. Heizfunktion zu erfüllen hat, wobei es sich vorzugsweise um eine Gasturbinenanlage handelt.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Dampfabnahme den Dampf nach dem Verlassen der Vorrichtung zur Dampfverwendung selbst nutzt oder einer weiteren energetischen oder stofflichen Nutzung zuführt, wobei es sich vorzugsweise um einen Dampferzeuger, einen Abhitzekessel, ein Dampfnetz, eine Dampfturbinenanlage oder Wärmeübertrager, Gebläse, Filter u. dgl. handelt.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass halb offene, insbesondere aber geschlossene Dampfsysteme, mit Entgasungs- und Reinigungsvorrichtungen zur Abscheidung und Entfernung von Zersetzungsprodukten des Additivs ausgestattet sind.