Gasturbine mit Wet-Compression-Einrichtung zur Einbringung einer tensidischen Flüssigkeitsmischung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbine umfassend eine Wet-Compression-Einrichtung, mittels welcher bei Betrieb der Gasturbine in einen Verdichter der Gasturbine eine wäss- rige Flüssigkeitsmischung in Tröpfchenform einbringbar ist. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Gasturbine.

Bei derartigen Gasturbinen mit einer Wet-Compression-Einrichtung werden mitunter zur Leistungssteigerung Wassertröpfchen in den Ansaugluftstrom eingeführt, um so den Arbeitsmassenstrom zu erhöhen. Zur Verminderung bzw. Vermeidung von Erosion an den Verdichterschaufeln sind möglichst kleine Tropfengrößen an der Wet-Compression-Einrichtung einzustellen, damit einerseits der Impakt der flüssigen Wassertropfen auf den Oberflächen der Verdichterschaufeln möglichst gering ist bzw. eine Verdunstung der Wassertropfen im Verdichterluftstrom möglichst schnell erfolgen kann.

Die aus Wet-Compression resultierende Steigerung der Leis- tungsabgabe der Gasturbine kann durch zwei Haupteffekte er ^¬ klärt werden. Durch die teilweise Verdampfung der Wassertrop ^¬ fen vor dem Eintritt in den Verdichter, nimmt die Temperatur der von dem Verdichter angesaugten Luft ab und ihre Dichte damit zu. Da der Verdichter einen konstanten Volumenstrom an- saugt, erhöht sich der durch den Verdichter angesaugte Mas ^¬ senstrom an Luft. Dadurch kann in der Brennkammer entsprechend mehr Brennstoff beigegeben werden und die Turbine dem Verbrennungsgas entsprechend mehr Leistung entnehmen. Somit ergibt sich der erste Teil der Leistungssteigerung der Gas- turbine. Der zweite Teil der Leistungssteigerung ergibt sich aus dem sogenannten Intercooling-Effekt . Dabei verdampft der übrige Teil der Wassertropfen auf dem Weg durch den Verdichter und sorgt während der Verdichtung für eine kontinuierliche Kühlung des Arbeitsmediums. Die spezifische Arbeit, die für die Verdichtung aufgebracht werden muss, sinkt dadurch und die Leistungsabgabe der Gasturbine steigt.

Mit dem Wet-Compression-Verfahren lassen sich mitunter eine Leistungssteigerung von über zehn Prozent der Gasturbinenleistung erzielen. Das über die Wet-Compression-Einrichtung eingeführte Wasser in den Ansaugluftstrom wird nach Entspannung in der Entspannungsturbine wieder mit dem Abgas in die Atmosphäre abgegeben und ist damit für weitere Prozesse typi- scherweise verloren.

Ein bekannter Nachteil des Wet-Compression-Verfahrens besteht darin, dass, wie oben schon angedeutet, eine erhöhte Erosion auf der Oberfläche der Verdichterschaufeln erfolgt. Insofern ist ein erhöhter Wartungsaufwand die Folge, wodurch wiederum erhöhte Betriebskosten entstehen. Derartige Erosionserschei ^¬ nungen können jedoch durch zusätzliche Schutzbeschichtungen der Verdichterschaufeln bzw. durch das frühzeitige Austauschen der Verdichterschaufeln verhindert bzw. wenigstens teilweise vermieden werden. Aber auch diese Maßnahmen sind mit höheren Betriebs- bzw. Wartungskosten verbunden und sind für den Betreiber unerwünscht. Weitere Maßnahmen zur Verminderung der Erosion an der Oberfläche der Verdichterschaufeln können etwa darin bestehen, die Betriebszeit mit der Wet- Compression-Einrichtung zeitlich zu limitieren, die Einbringung des Wassers in den Ansaugluftstrom mittels geeigneter Düsen vorzunehmen, so dass möglichst kleine und gleichmäßig verteilte Tröpfchen in den Ansaugluftstrom gelangen, oder aber auch einen ausreichend hohen Versorgungsdruck bei der Einbringung des Wassers in den Ansaugluftstrom sicherzustellen .

All diese Maßnahmen gehen jedoch weiterhin mit wirtschaftlichen Einbußen beim Betrieb der Wet-Compression-Einrichtung einher. Insbesondere eine Limitierung der Betriebszeit der Wet-Compression-Einrichtung reduziert die Flexibilität der Gasturbine und damit deren Einsatzfähigkeit für den Betrei ^¬ ber. Auch eine geeignete Auswahl an Düsen bzw. ein hoher Versorgungsdruck des Wassers kann weiterhin die Erosionserschei- nungen nicht aufhalten, sondern zeitlich lediglich etwas verzögern .

Insofern stellt sich die technische Aufgabe, eine weiterhin verbesserte Gasturbine vorzuschlagen, deren Betrieb mit einer Wet-Compression-Einrichtung eine Verminderung der Erosionserscheinungen auf den Verdichterschaufeln erlaubt.

Diese der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch eine Gasturbine gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren einer solchen vorab wie auch nachfolgend beschriebenen Gasturbine gemäß Anspruch 7.

Insbesondere wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch eine Gasturbine umfassend eine Wet-Compression- Einrichtung, mittels welcher bei Betrieb der Gasturbine in einen Verdichter der Gasturbine eine wässrige Flüssigkeitsmischung in Tröpfchenform einbringbar ist, wobei die wässrige Flüssigkeitsmischung wenigstens ein Tensid aufweist.

Ebenfalls wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer solchen vorab wie auch nachfolgend beschriebenen Gasturbine, wobei der Wet- Compression-Einrichtung die wässrige Flüssigkeitsmischung zu- geführt wird.

An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass Tenside Sub ^¬ stanzen sind, die die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit oder die Grenzflächenspannung zwischen zwei Phasen herabset- zen und die Bildung von Dispersionen ermöglichen oder unterstützen bzw. als Lösungsvermittler wirken. Tenside bewirken u.a., dass zwei eigentlich nicht miteinander mischbare Flüs ^¬ sigkeiten, wie zum Beispiel Öl und Wasser, fein vermengt werden können.

Weiterhin ist darauf hinzuweisen, dass die Menge an gemischten bzw. gelösten Tensiden im Wasser individuell eingestellt werden kann und etwa je nach Betriebsbedingungen anpassbar ist. Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann auch eine Gruppe von Tensiden in der wäss- rigen Lösung vorgesehen sein, das heißt also zwei oder mehr Tenside . Ausführungsgemäß kann auch eine geeignete Steuer- bzw. Regel ^¬ einrichtung vorgesehen sein, die die Menge an Tensid entsprechend dem aktuellen Betriebszustand dem Wasser für die Wet- Compression-Einrichtung zugibt. Hierbei kann beispielsweise mittels geeigneter Sensoren ein Betriebsparameter der Gastur- bine bzw. der Wet-Compression-Einrichtung aufgenommen werden und von der Steuer- bzw. Regeleinrichtung verarbeitet werden.

Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, die Wet-Compression- Einrichtung mit einer wässrigen Flüssigskeitsmischung zu betreiben, welche wenigstens ein Tensid aufweist. Da das Tensid die Eigenschaft hat, die Oberflächenspannung des Wassers her ^¬ abzusetzen, können die Wassertropfen leichter zerstäubt werden bzw. zerplatzen unter geringerer Impulsübertragung in noch kleinere Tröpfchen bei Auftreffen auf den Oberflächen der Verdichterschaufeln. Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Bildung verhältnismäßig großer Tropfen etwa an Bauteilen des Ansauggases weitgehend verhindert werden kann. Durch die ver ^¬ hältnismäßig bessere Zerstäubung bzw. die geringere Impuls ^¬ übertragung eines Flüssigkeitströpfchens auf der Oberfläche der Verdichterschaufeln kann auch die Erosion bei Betrieb der Wet-Compression-Einrichtung vermindert werden.

Ein weiterer vorteilhafter Nebeneffekt des Betriebs der Wet- Compression-Einrichtung mit der wässrigen Flüssigkeitsmi- schung besteht auch in einer verbesserten Reinigung des Verdichters. Diese resultiert daraus, dass Tenside typischerwei ^¬ se auch eine erhöhte Waschaktivität aufweisen, und damit auch besser geeignet sind, Verunreinigungen im Verdichter im Vergleich zu reinem Wasser auszuwaschen.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die wässrige Flüssigkeitsmischung zusätzlich wenigstens noch einen Entschäumer aufweist. Auch die Menge an gemischtem bzw. gelöstem Entschäumer kann hier- bei individuell eingestellt werden und ist je nach Betriebs ^¬ zustand anpassbar. Zudem ist es auch möglicherweise vorteil ^¬ haft, zwei oder mehr Entschäumer in der Flüssigkeitsmischung vorzusehen .

An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass Entschäumer chemische Formulierungen mit ausgeprägter Grenzflächenaktivität sind, welche geeignet sind, unerwünschte Schaumbildung (zum Beispiel bei der Abwasserreinigung, der Papierherstel- lung, beim Waschvorgang in Waschmaschinen, beim Lackieren, bei Fermentationsprozessen, usw.) zu unterdrücken und bereits gebildeten Schaum zu zerstören.

Der Entschäumer sorgt also dafür, dass ein Aufschäumen etwa bei der Verdüsung der wässrigen Flüssigkeitsmischung bzw. bei Impakt auf den Oberflächen der Verdichterschaufeln weitgehend vermieden werden kann. In anderen Worten kann der Entschäumer ein Zusetzen des Verdichters mit Schaum verhindern. Der

Entschäumer, wie Versuche der Anmelderin gezeigt haben, hat hierbei keinen oder nur einen geringen Einfluss auf die durch die Tenside verminderte Oberflächenspannung des Wassers in der Flüssigkeitsmischung.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorge- sehen, dass die Gasturbine eine erste Dosiereinrichtung auf ^¬ weist, welche dazu ausgebildet ist, eine vorbestimmte Menge an Tensid in Wasser zu geben, welches für die Nutzung in der Wet-Compression-Einrichtung vorgesehen ist. Die erste Dosiereinrichtung erlaubt also dem Wasser für die Wet-Compression- Einrichtung eine geeignete Menge an Tensid hinzuzugeben, und kann damit etwa das Zerstäubungsverhalten bzw. das Impaktver- halten und damit die Erosion der wässrigen Flüssigkeitsmischung in dem Verdichter der Gasturbine gezielt beeinflussen. Insbesondere kann die Menge an Tensid, welche in das Wasser gegeben wird, gemäß einem Betriebszustand der Gasturbine ein ^¬ gestellt werden. Hierzu werden typischerweise geeignete Be ^¬ triebsparameter durch nicht weiter beschriebene Sensoren aufgenommen, und mittels einer Regelungs- bzw. Steuerungseinheit soweit verarbeitet, dass daraus eine geeignete Menge an Ten- sid für das Wasser berechnet werden kann.

Entsprechend kann auch die Gasturbine eine zweite Dosierein- richtung aufweisen, welche dazu ausgebildet ist, eine vorbe ^¬ stimmte Menge an Entschäumer in Wasser zu geben, welches für die Nutzung in der Wet-Compression-Einrichtung vorgesehen ist. Wie bei der ersten Dosiereinrichtung kann auch hier eine betriebsabhängige Einbringung der Menge an Entschäumer in Wasser denkbar sein. Auch in Bezug auf die anderen technischen Merkmale gleicht die zweite Dosiereinrichtung im We ^¬ sentlichen der ersten.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfin- dung ist vorgesehen, dass das wenigstens eine Tensid aus der folgenden Gruppe von Tensiden ausgewählt ist:

Polyalkylenglykolether, Polysorbat20 , Alkylpolyglykoside ; diese Substanzen eignen sich nicht nur gut zur Mischung mit Wasser, sondern weisen auch ein hohes Vermögen zur Verminde- rung der Oberflächenspannung des Wassers auf. Ebenfalls zeigt sich, dass diese Substanzen nach Durchströmen des Heißluftgases in der Gasturbine, insbesondere im Brennkammerbereich, selbst zerstört werden können, so dass in den Abgasen für die Umwelt weitgehend unbedenkliche Substanzen zu finden sind.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Entschäumer aus der folgenden Gruppe von Entschäumern ausgewählt ist: Tri-n- butylphosphat , Monoglyceride, Diglyceride ; diese Substanzen weisen in wässriger Verbindung ein hohes Vermögen zur Unterdrückung der Schaumbildung aus und werden nach Durchlaufen des Heißluftgases in der Gasturbine in weitgehend unbedenkli ^¬ che Substanzen zerlegt. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung vorgesehen ist, welche die Menge an Tensid bzw. Entschäumer entsprechend dem aktuellen Betriebs ^¬ zustand der Gasturbine Wasser zugibt, welches für den Betrieb der Wet-Compression-Einrichtung vorgesehen ist. Wie weiter oben bereits ausgeführt, kann die jeweils zugegebene Menge mittels geeigneter Sensoren bestimmt werden, die einen Betriebsparameter der Gasturbine aufnehmen, welcher von der Steuer- bzw. Regeleinrichtung entsprechend verarbeitet wird.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand einzelner Figuren im Detail näher beschrieben werden. Hierbei ist darauf hinzuwei ^¬ sen, dass die Figuren lediglich schematisch zu verstehen sind und insbesondere keinerlei Einschränkung der Ausführbarkeit daraus resultiert.

Weiterhin ist darauf hinzuweisen, dass die technische Funkti ^¬ on der technischen Merkmale, welche gleiche Bezugszeichen aufweisen, einander entsprechen soll.

Weiterhin ist darauf hinzuweisen, dass die nachfolgend be ^¬ schriebenen technischen Merkmale in beliebiger Kombination miteinander, wie auch in beliebiger Kombination mit den vorab beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung beansprucht werden, soweit die daraus resultierende Kombination die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe lösen kann.

Hierbei zeigen:

FIG 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Gasturbine in einer schematischen Schaltansicht;

FIG 2 eine schematische Schaltansicht einer zweiten Aus- führungsform der erfindungsgemäßen Gasturbine.

FIG 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemä ^¬ ßen Gasturbine 1 in einer schematischen Schaltansicht. Die Gasturbine 1 umfasst eine Wet-Compression-Einrichtung 10 mit- tels welcher über Düsen 11 eine wässrige Flüssigkeitsmischung 5 in den Verdichter 2 der Gasturbine 1 eingebracht werden kann. Hierbei wird die wässrige Flüssigkeitsmischung 5 direkt in den Ansaugluftstrom bei Betrieb der Gasturbine 1 einge- düst, wobei die wässrige Flüssigkeitsmischung 5 in verhält- nismäßig kleine Tropfen zerstäubt wird. Nachfolgend wird die wässrige Flüssigkeitsmischung 5 in dem Verdichter zunehmend verdampft, so dass ab einer gewissen Verdichterstufe keine flüssige Flüssigkeitsmischung mehr vorliegt, sondern nur noch ihre verdampfte Form. Diese wird zusammen mit der Ansaugluft verdichtet und der Brennkammer 3 zur Verbrennung mit einem nicht weiter bezeichneten Brennstoff zugeführt. Das so ent ^¬ stehende Heißgasgemisch wird über die Entspannungsturbine 4 entspannt und nachfolgend aus dieser abgeführt.

Um nun gewährleisten zu können, dass die Zerstäubung der Flüssigkeitsmischung in verhältnismäßig kleine

Flüssigkeitströpfchen erfolgt, sieht die vorliegende Ausführungsform der Gasturbine 1 vor, der Wet-Compression- Einrichtung 10 eine wässrige Flüssigkeitsmischung 5 zuzuleiten, welche wenigstens ein Tensid 6 sowie wenigstens einen Entschäumer 7 aufweist. Das Tensid 6 wird in einem ersten Be ^¬ hältnis 8 bevorratet, und kann je nach Anforderung über eine erste Dosiereinrichtung 21 dem Wasser zugegeben werden, wel- ches für den Betrieb in der Wet-Compression-Einrichtung vorgesehen ist. Die erste Dosiereinrichtung 21 kann hierbei auch mit einer Steuerungs- bzw. Regeleinheit verschaltet sein, die aktuelle Betriebsparameter der Gasturbine 1 bei Einstellung der Menge an Tensid berücksichtigt.

Gleichermaßen kann die Menge an Entschäumer 7 mittels einer zweiten Dosiereinrichtung 22 eingestellt werden. Der Entschäumer 7 befindet sich in einem zweiten Behältnis 9 bevorratet, wobei aus diesem je nach Bedarf dem Wasser Entschäumer zugeführt werden kann, welches Wasser für die Nutzung in der Wet-Compression-Einrichtung 10 vorgesehen ist.

Aufgrund der Einbringung von einem Tensid sinkt nun die Oberflächenspannung des Wassers, welches mittels der Düsen 11 in der Wet-Compression-Einrichtung 10 zerstäubt wird. Durch die Verringerung der Oberflächenspannung kann damit einerseits eine verbesserte Zerstäubung erfolgen, andererseits kann auch ein Zerplatzen unter verringertem Impulsübertrag der gebildeten Wassertröpfchen auf der Oberfläche der Verdichterlaufschaufeln erfolgen. Da die Tröpfchen verhältnismäßig kleiner sind, als etwa im Vergleich zu einer Wet- Compression-Einrichtung ohne Beimischung von Tensid, erfolgt auch die Verdampfung des in den Verdichter 2 eingebrachten Wassers bzw. der Flüssigkeitsmischung schneller und die Erosionserscheinungen auf der Oberfläche der Verdichterschaufeln können vermindert werden. Wie weiter oben bereits ausgeführt, dient der Entschäumer 7 in erster Linie zur Vermeidung der Zusetzung des Verdichters 2 durch Schaumbildung.

FIG 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemä ^¬ ßen Gasturbine 1, welche sich von der in FIG 1 gezeigten Aus ^¬ führungsform darin unterscheidet, dass das Tensid 6 bzw. der Entschäumer 7 nicht im Bereich der Zuleitung der Wet-Comp- ression-Einrichtung 10 für die Düsen 11 vorgesehen ist, sondern die Düsen 11 werden direkt aus einem Speicherbehältnis 12 zentral versorgt, in welches Wasser Tensid 6 und Entschäu ^¬ mer 7 zur Vermischung miteinander eingebracht werden. In dem Speicherbehältnis 12 liegt damit eine geeignete bereits fer- tig gemischte wässrige Flüssigkeitsmischung 5 vor, die ent ^¬ nommen und ohne weitere chemische Konditionierung den Düsen 11 der Wet-Compression-Einrichtung 10 zugeführt werden kann. Die Menge an Tensid 6 wie auch Entschäumer 7 können jeweils durch eine erste Dosiereinrichtung 21 sowie eine zweite

Dosiereinrichtung 22 eingestellt werden, wobei die jeweiligen Dosiereinrichtungen 21, 22 eine vorbestimmte Menge an Tensid 6 aus dem ersten Behältnis 8 bzw. vom Entschäumer 7 aus im zweiten Behältnis 9 zu entnehmen ermöglichen. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen .