Verbrennungsstabilität von Mehrbrennersystemen mit Wasser- und Dampfinjektion
Eine in der industriellen Praxis häufig zur Leistungs- und Emissionsregelung eingesetzte Technologie umfasst die Wasser- bzw. Dampfeinspritzung in die Brennkammer der Gasturbine. Entscheidende Vorteile dieser Verfahrensweise sind die positive Beeinflussung der Flammentemperaturen sowie der reduzierte Schadstoffausstoß. Beispiele hierfür sind die Prozesse STIG (STeam Injected Gas turbine) und HAT (Humidified Air Turbine), sowie der Cheng Cycle.
Wird dem Brennstoff-Luft-Gemisch zusätzlich Wasser beigemischt, so erhöht sich zunächst die Wärmekapazität des Gesamtgemischs. Dadurch wird das Gesamttemperaturniveau bei gleichem Brennstoffdurchsatz signifikant gesenkt. Die daraus resultierenden geringeren Temperaturspitzen beeinflussen den Gasturbinenprozess dabei auf verschiedene Art und Weise. Durch die Reduktion von Temperaturspitzen bei der Verbrennung kann die Lebensdauer der Maschine erhöht werden, da thermomechanische Spannungen deutlich verringert werden. Weiterhin erhöht die Zugabe von Wasser bzw. Dampf den Volumenstrom durch die Turbine, wodurch eine deutliche Erhöhung der Turbinenleistung und somit auch der im Generator produzierten elektrischen Leistung stattfindet. Der Wirkungsgrad des Gesamtprozesses wird hierdurch ebenfalls erhöht.
Darüber hinaus können sowohl die NOx- als auch die CO Emissionen mithilfe dieses Prozesses merklich gesenkt werden.
In der Vergangenheit wurden Aspekte der Gasturbinenverbrennung in Verbindung mit Wasser- oder Dampf vor allem in Hinblick auf den Gesamtprozess untersucht. Einflüsse von Wasser- und Dampfinjektion auf die thermoakustischen Vorgänge bei der Verbrennung in Gasturbinenbrennkammern sind jedoch bisher wenig untersucht und bei der Auslegung nahezu unberücksichtigt worden. Vor allem das Wissen über Verbrennungsinstabilitäten in Mehrbrenneranordnungen bei hohen Feuchtigkeitsgraden ist hier aufgrund seiner technischen Relevanz von zentralem Interesse.
Im Rahmen des Energy Valley Bavaria Projektes soll in diesem Projektteil eine detaillierte Untersuchung der feuchten Verbrennung mit Wasser- und Dampfeinspritzung im Hinblick auf die thermoakustischen Eigenschaften erfolgen. Dazu existieren am Lehrstuhl für Thermodynamik verschiedene Versuchseinrichtungen. Die experimentellen Arbeiten sollen zunächst an einem erdgasbetriebenen Einzelbrennerversuchsstand durchgeführt werden und später auf einer Ringbrennkammerkonfiguration fortgeführt werden. Im Wesentlichen soll dabei der Einfluss von Wasser- und Dampfzugabe unter verschiedenen Betriebsbedingungen auf das Übertragungsverhalten von drallstabilisierten Erdgasflammen untersucht werden. Daraus können Rückschlüsse auf das Stabilitätsverhalten sowie quantitative Aussagen über die Dämpfungseigenschaften des Verbrennungssystems gewonnen werden. Hierbei kommen sowohl dynamische Druckmessungen als auch optische Messmethoden wie Chemilumineszenzmessungen und Flammenaufnahmen mittels Hochgeschwindigkeitskameras zum Einsatz. Des Weiteren finden akustische Netzwerkmodelle sowie Linearisierte Navier Stokes Gleichungen (LNSE) für vorgemischte Erdgasflammen zur Modellbildung Anwendung.