DE10056128A1

DE10056128A1 - Verfahren zum Betreiben einer Gasturbinenanlage sowie eine dementsprechende Anlage

Info

Publication number: DE10056128A1
Application number: DE2000156128
Authority: DE
Inventors: Rolf Bachmann; Erhard Liebig
Original assignee: Alstom Schweiz AG
Current assignee: GE Vernova GmbH
Priority date: 2000-11-13
Filing date: 2000-11-13
Publication date: 2002-06-06
Also published as: AU2002210850A1; WO2002038927A1

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbinenanlage sowie eine hierauf gerichtete Gasturbinenanlage, bei der Zuluft verdichtet, mit Brennstoff vermischt und zur Verbrennung gebracht wird, wodurch ein Arbeitsmittel entsteht, das die Gasturbine antreibt, und bei der die im Arbeitsmittel enthaltene Wärme nach Verlassen der Gasturbinenanlage genutzt wird, indem das Arbeitsmittel durch einen Abhitzekessel geleitet wird. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein Teil des aus dem Abhitzekessel austretenden Arbeitsmittels der Gasturbinenanlage zugeführt wird.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbinenanla ge, bei der Zuluft verdichtet, mit Brennstoff vermischt und zur Verbrennung gebracht wird, wodurch ein Arbeitsmittel entsteht, das die Gasturbine antreibt, und bei der die im Arbeitsmittel enthaltene Wärme nach Verlassen der Gasturbinenanlage genutzt wird, indem das Arbeitsmittel durch einen Abhitzekessel geleitet wird. Ferner wird eine diesbezügliche Gasturbinenanlage beschrieben.

Stand der Technik

Bei an sich bekannten Gas- und Dampfturbinenanlagen wird die im entspannten Ar beitsmittel der Gasturbine enthaltene Wärme zur Erzeugung von Dampf für die Dampfturbine genutzt. Die Wärmeübertragung erfolgt in einem, der Gasturbine nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger, in dem Heizflächen in Form von Rohren oder Rohrbündeln angeordnet sind. Diese wiederum sind in den Wasser-Dampf- Kreislauf mit einer Dampfturbine eingebunden. Das aus der Gasturbine austretende, entspannte Arbeitsmittel wird üblicherweise dem Abhitzedampferzeuger direkt zuge führt, in welchem der Wärmeaustausch zum Wasser-Dampf-Kreislauf mit der bei spielsweisen Dampfturbine erfolgt. Das Arbeitsmittel gelangt nach dem Abhitze dampferzeuger üblicherweise über einen Kamin in die Umgebung. Eine derartige kombinierte Gas- und Dampfturbinenanlage ist beispielsweise den Druckschriften DE 195 44 226 A1 sowie DE 43 21 081 A1 zu entnehmen.

Das aus dem Kamin austretende Arbeitsmittel einer kombinierten Gas- und Dampf turbinenanlage hat trotz der in der Gasturbinenanlage erfolgten Verbrennung einen hohen Luftsauerstoffanteil. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Gasturbinenan lage mit hohem Luftüberschuss betrieben wird, wodurch die beim Verbrennungspro zess entstehenden Verbrennungsprodukte, wie insbesondere CO₂, mit Luft regel recht verdünnt sind. Bestrebungen zur Abgasfilterung werden durch die hohen Luft anteile im Arbeitsmittel erschwert. Daher sind aufwendige Filtertechniken nötig, um die mit Luft verdünnten Verbrennungsprodukte aus dem Arbeitsmittel auszufiltern. Hinzu kommt, dass bei hohen Luftanteilen im Arbeitsmittel hohe Stickoxid-Anteile entstehen können, die es ebenfalls gilt zu reduzieren.

Analoge Verhältnisse gelten auch für Gasturbinenanlagen mit einem nachgeschal teten Abhitzekessel als Heisswassererzeuger. Ebenso ist es denkbar die Abwärme von Gasturbinenanlagen für verfahrenstechnische Prozesse zu nutzen. Für die Gasturbinenanlagen zur Wärmenutzung arbeitsmittelseitig nachgeschalteten Appa rate soll nachfolgend der Begriff des Abhitzekessels Verwendung finden.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Gas turbinenanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass das aus dem Abhitzekessel austretende Arbeitsmittel einen geringeren Luftanteil aufweisen soll, so dass die in der Gasturbinenanlage realisierte Verbrennung mit ei nem geringeren Luftüberschuss erfolgt. Insbesondere soll es möglich sein, die Emis sionswerte einer Gasturbinenanlage zu verbessern und eine Voraussetzung dafür zu schaffen, auftretende Verbrennungsprodukte besser zu filtern und leichter zu entsor gen.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung eine diesbezügliche Gasturbinenanlage mit den vorstehend aufgezeigten Vorteilen auszubilden.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist Gegenstand des An spruchs 1, in dem das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben ist. Anspruch 7 enthält eine erfindungsgemäß ausgebildete Gasturbinenanlage. Den Erfindungsge danken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel zu entneh men.

Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist der art ausgebildet, dass wenigstens ein Teil des aus dem Abhitzekessel austretenden Arbeitsmittels der Gasturbinenanlage zugeführt wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Idee geht dabei davon aus, dass das aus dem Abhitzekessel austretende Arbeitsmittel im Wege eines geschlossenen Kreislaufes der Verdichtereinheit der Gasturbinenanlage zugeführt wird. Unter dem Begriff Gas turbinenanlage wird die an sich bekannte Kombination aus mindestens einer Ver dichtereinheit, mindestens einer Brennkammer sowie der mindestens einen Gastur bine verstanden.

Durch die erfindungsgemäße Rezirkulation wenigstens eines Teils des aus dem Ab hitzekessel austretenden Arbeitsmittels wieder zurück in die Verdichtereinheit der Gasturbinenanlage steht der beträchtliche Luftüberschuss innerhalb des Arbeitsmit tels einer wiederholten Verbrennung innerhalb der Brennkammer der Gasturbinen anlage zur Verfügung. Da das Arbeitsmittel in einem geschlossenen Kreislauf zirku liert, nimmt der Sauerstoffanteil pro Verbrennungszyklus innerhalb des Arbeitsmittels stetig ab. Um den Verbrennungsprozess innerhalb der Brennkammer jedoch weiter hin aufrecht zu erhalten, ist es daher erforderlich dem rezirkulierten Arbeitsmittel vor Eintritt in die Verdichtereinheit Sauerstoff zumindest in der Menge beizumischen, die während der Verbrennung benötigt wird. Die Sauerstoffzugabe kann in Form übli chen Luftsauerstoffes oder durch die Zugabe reinen Sauerstoffes oder eines Sauer stoff/Kohlendioxid-Gemisches oder eines anderen Sauerstoff enthaltenden Gemi sches erfolgen.

Da die Rezirkulation des aus dem Abhitzekessel austretenden Arbeitsmittels im We ge eines geschlossenen Kreislaufes erfolgt, herrschen innerhalb der Zuführleitung zwischen dem Abhitzekessel und der Verdichtereinheit der Gasturbinenanlage vom Atmosphärendruck abweichende Druckverhältnisse, die je nach Betriebsweise der Gasturbinenanlage variieren können. Aus diesem Grunde dient eine weitere Vorver dichterstufe für die Zufuhr des für den Verbrennungsvorgang zusätzlich erforderli chen Sauerstoffes unter dem innerhalb des geschlossenen Kreislaufes vorherr schenden Druckbedingungen.

Wie bereits erwähnt, kann alternativ zur Einspeisung zusätzlichen Luftsauerstoffes auch reiner Sauerstoff oder ein Sauerstoffgasgemisch verwendet werden, der bzw. das durch die zusätzliche Vorverdichterstufe einen für die Einkopplung erforderlichen Betriebsdruck erhält. Für die Vielzahl der Möglichkeiten der Gaszusammensetzung soll nachfolgend der Begriff des Sauerstoffträgermittels verwendet werden.

Das aus dem Abhitzekessel austretende Arbeitsmittel wird vorzugsweise nicht voll ständig in einem geschlossenen Kreislauf der Verdichtereinheit der Gasturbinenan lage zugeführt, sondern ein gewisser Restanteil wird über eine Bypasseinheit einer Expansionseinheit zugeleitet, in der der Restanteil des Arbeitsmittels vollständig ex pandiert und die als Niederdruckturbine ausgebildete Expansionseinheit antreibt, wodurch elektrische oder mechanische Energie gewonnen wird. Die Größe des vom Hauptstrom des Arbeitsmittels abgetrennten Restanteils ist mit der Bypasseinheit beliebig regelbar.

Die an der Expansionseinheit gewonnene Energie kann vorzugsweise zum Antrieb der zusätzlichen Vorverdichterstufe für die Einspeisung des Sauerstoffträgermittels in den Kreislauf der Gasturbinenanlage verwendet werden.

Durch die vorgeschlagene Betriebsweise für eine Gasturbinenanlage hinsichtlich ei ner gezielten Rezirkulation des aus dem Abhitzekessel austretenden Arbeitsmittels, eröffnen sich weitere Optimierungsmöglichkeiten für den Betrieb der gesamten Gas turbinenanlage. So kann der im Inneren der Zuleitung zwischen Abhitzekessel und Verdichtereinheit der Gasturbinenanlage vorherrschende Rezirkulationsdruck durch eine entsprechende, in der Zuleitung vorgesehene Regeleinheit variiert werden. Grundsätzlich stellen sich geringe Rezirkulationsdruckverhältnisse bei niedriger Fahrleistung der Gasturbinenanlage ein sowie höhere Drücke bei hoher Fahrleistung, so dass durch bloße Druckvariation innerhalb des geschlossenen Kreislaufs bspw. der Teillastbetrieb einer kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlage optimiert ein gestellt werden kann.

Auch ist es möglich, durch gezielte Variation des Sauerstoffträgermittels vor Eintritt in die Verdichtereinheit der Gasturbinenanlage die Konzentration der Verbrennungs produkte innerhalb des Arbeitsmittels einzustellen, das aus dem Abhitzekessel aus tritt. So kann der Anteil der Verbrennungsprodukte hinsichtlich CO₂ und H₂O derart gesteigert werden, dass eine leichte Abscheidung von Wasser sowie eine Extraktion von CO₂ nach entsprechender Abzweigung des Arbeitsmittels über die Bypasseinheit und Entspannung durch die Expansionseinheit möglich ist.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsge dankens anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisierte Blockbilddarstellung einer kombinierten Gas- und Dampfturbinenanlage mit Rezirkulation des aus dem Abhitzedampferzeuger austretenden Arbeitsmittels.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Die Fig. 1 zeigt eine Blockbilddarstellung einer kombinierten Gas- und Dampfturbi nenanlage, deren Gasturbinenanlage sich aus einer Verdichtereinheit 1, einer Brennkammer 2 und einer Gasturbine 3 zusammensetzt. Die Verdichtereinheit 1, die Gasturbine 3 sowie der Generator G befinden sich auf einer Welle, wie der Fig. 1 zu entnehmen ist. Das aus der Gasturbine 3 austretende Arbeitsmittel gelangt unmittel bar in einen Abhitzedampferzeuger 4, der in einen Wasser-Dampf-Kreislauf 5 einge bunden ist.

Selbstverständlich kann es sich bei der Gasturbinenanlage auch um eine Anlage mit sequentieller Verbrennung handeln. Diese Gasturbinenanlagen verfügen über mehr als eine Brennkammer und mehr als eine Gasturbine.

Der im Abhitzedampferzeuger erzeugte Dampf dient zum Antrieb einer Dampfturbine D. Am Austritt des Abhitzedampferzeugers 4 gelangt das Arbeitsmittel in eine By passeinheit 7, die eine Aufteilung des Arbeitsmittels hauptsächlich durch eine Zulei tung 6 in Richtung der Verdichtereinheit 1 der Gasturbinenanlage vornimmt. Ein Restanteil gelangt über die Bypasseinheit 7 in eine Expansionseinheit 8, die als Nie derdruckturbine ausgebildet ist. Der durch die Expansionseinheit 8 strömende Anteil des Arbeitsmittels gelangt nachfolgend ins Freie.

Der Hauptanteil des aus dem Abhitzedampferzeuger 4 austretenden Arbeitsmittels wird über die Zuleitung 6 zur Verdichtereinheit 1 im Rahmen eines geschlossenen Kreislaufes rezirkuliert. Über eine zusätzliche Vorverdichterstufe 11 sowie einer zwi schengeschalteten Regeleinheit 9 gelangt zusätzliche Zuluft 10 in den Stoffstrom des in die Verdichtereinheit 1 einmündenden, rezirkulierten Arbeitsmittels. Der Anteil des Sauerstoffes in der zusätzlichen Zuluft 10 entspricht vorzugsweise jenem, bei der Verbrennung in der Brennkammer 2 verbrauchten Sauerstoffanteils, so dass sich innerhalb des geschlossenen Kreislaufs ein hoher Anteil an Verbrennungsprodukten im Arbeitsmittel einstellt, welcher sich wiederum im Anschluss an die Expansionsein heit 8 aus dem abgeleiteten und expandierten Arbeitsmittel leichter abscheiden lässt, als dies beim Betrieb konventioneller Gas- und Dampfturbinenanlagen der Fall ist. So ist es zum einen möglich, Wasser im Wege an sich bekannter Abscheidetechniken zu gewinnen sowie CO₂ effektiv zu extrahieren.

Da die erfindungsgemäß ausgebildete Gas- und Dampfturbinenanlage nur mit ca. einem Drittel der Zuluft arbeitet, verglichen zu einer konventionellen Gas- und Dampfturbinenanlage, bei der das Arbeitsmittel in herkömmlicher Weise nach Durchtritt durch den Abhitzedampferzeuger über einen Kamin vollständig entweicht, besteht überdies die Möglichkeit, die Zuluft durch ein anderes, Sauerstoff enthalten des Trägermittel zu ersetzen. So ist es möglich, über die Vorverdichterstufe 11 und die Regeleinheit 9 reinen Sauerstoff oder beispielsweise ein Sauerstoff-CO₂- Gemisch in die Zuleitung 6 einzuspeisen. Auf diese Weise würde man nach entspre chender Wasserabscheidung nach der Expansionsstufe 8 reines CO₂ zur Entsorgung erhalten.

Neben den verbesserten Reinigungs- bzw. Filtereigenschaften des entstehenden Arbeitsmittels weist dieses aufgrund des geringeren Luftüberschusses auch geringe re Stickoxidanteile auf.

Bezugszeichenliste

1

Verdichtereinheit

2

Brennkammer

3

Gasturbine

4

Abhitzekessel, Abhitzedampferzeuger

5

Wasser-Dampf-Kreislauf

6

Zuleitung

7

Bypasseinheit

8

Expansionseinheit

9

Regeleinheit

10

Sauerstoffträgermittel, Zuluft

11

Vorverdichterstufe
G Generator
D Dampfturbine

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbinenanlage bestehend aus mindestens einer Verdichtereinheit (1), mindestens einer Brennkammer (2) und mindestens einer Gasturbine (3), bei der Zuluft (10) verdichtet, mit Brennstoff vermischt und zur Verbrennung gebracht wird, wodurch ein Arbeitsmittel entsteht, das die mindestens eine Gasturbine (3) antreibt, und bei der die im Arbeitsmittel enthaltene Wärme nach Verlassen der Gasturbinenanlage genutzt wird, indem das Arbeitsmittel durch einen Abhitzekessel (4) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil des aus dem Abhitzekessel (4) austretenden Arbeitsmittels der Gasturbinenanlage zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Abhitzekessel (4) austretende Ar beitsmittel in einem geschlossenen Kreislauf zu Zwecken seiner Verdichtung der Gasturbinenanlage rezirkuliert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasturbinenanlage, neben dem rezirkulierten Arbeitsmittel, mittels eines Sauerstoffträgermittels (10) Sauerstoff in Form von reinem Sauerstoff, von Luft oder einem Sauerstoff-Gas-Gemisch zumindest in dem Masse zugeführt wird, wie dieser bei der Verbrennung verbraucht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des aus dem Abhitzekessel (4) austretenden Arbeitsmittels zum Antrieb einer Expansionseinheit (8) verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Expansionseinheit (8) elektrische und/oder mechanische Energie gewonnen wird, die der Verdichtung des Sauerstoffträgermittels (10) und/oder des zur Gasturbinenanlage rezirkulierten Arbeitsmittels verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem geschlossenen Rückführkreislauf ein geziel ter Arbeitsdruck in Abhängigkeit der Betriebsweise der Gasturbinenanlage einstellbar ist.

7. Gasturbinenanlage mit mindestens einer Verdichtereinheit (1), mindestens einer Brennkammer (2) sowie mindestens einer Gasturbine (3), die von einem Ar beitsmittel durchströmbar ist, das einem Abhitzekessel (4) zuleitbar ist, in dem die im Arbeitsmittel enthaltene Wärme nutzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass vom Abhitzekessel (4) zur mindestens einen Ver dichtereinheit (1) der Gasturbinenanlage eine Zuführleitung (6) führt, durch die der mindestens einen Verdichtereinheit (1) wenigstens ein Teil des aus dem Abhitzekes sel (4) austretenden Arbeitsmittels zuführbar ist.

8. Gasturbinenanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführleitung (6) einen geschlossenen Kreislauf, in Art eines geschlossenen Rückführsystems, bildet.

9. Gasturbinenanlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass am Austritt des Abhitzekessels (4) eine Bypassein heit (7) vorgesehen ist, die zumindest einen Teil des aus dem Abhitzekessel (4) aus tretenden Arbeitsmittels einer Expansionseinheit (8) zuführt.

10. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeleinheit (9) am Eintritt der Verdichterein heit (1) vorgesehen ist, mittels der der Anteil zwischen dem rezirkuliertem Arbeits mittel und dem Sauerstoffträgermittel (10) regelbar ist.

11. Gasturbinenanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Vorverdichterstufe (11) vorgesehen ist, die das Sauerstoffträgermittel (10) vorverdichtet.

12. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Abhitzekessel (4) ein Abhitzedampferzeuger ist, der in einem Wasser-Dampf-Kreislauf (5) integriert ist.

13. Gasturbinenanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der im Abhitzedampferzeuger (4) erzeugte Dampf zum Antrieb einer Dampfturbine (D) dient.