DE10226721A1

DE10226721A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erwärmung eines einer Brennkammer zugeführten Gases

Info

Publication number: DE10226721A1
Application number: DE2002126721
Authority: DE
Original assignee: Bbp Power Plants I Ins GmbH; Bbp Power Plants Iins GmbH
Current assignee: Hitachi Power Europe GmbH
Priority date: 2002-06-14
Filing date: 2002-06-14
Publication date: 2004-01-22

Abstract

Der Brennkammer (1) einer Gasturbine wird ein Gas von wahlweise unterschiedlichem Heizwert bei vorgegebenem Massenstrom zugeführt. Zur Einhaltung einer innerhalb bestimmter Grenzen konstant zu haltenden Wobbe-Zahl wird die Wobbe-Zahl des jeweils zugeführten Gases in der zu der Brennkammer (1) führenden Gasleitung (2) bestimmt. Die Temperatur des Gases vor Eintritt in die Brennkammer (1) wird zur Einhaltung der Wobbe-Zahl geändert, indem das jeweilige Gas in zwei Teilströme aufgeteilt wird, der erste Teilstrom in einem Wärmetauscher (6) auf eine konstante Temperatur erwärmt wird, der zweite Teilstrom ohne Vorwärmung an dem Wärmetauscher (6) vorbeigeführt wird, und die Teilströme vor dem Eintritt in die Brennkammer (1) wieder miteinander zu einem Mischstrom vermischt werden. Über ein 3-Wege-Regelventil (8) werden die Teilströme derart aufgeteilt, dass in dem Mischstrom die der konstant zu haltenden Wobbe-Zahl entsprechende Temperatur eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erwärmung eines der Brennkammer einer Gasturbine zugeführten Gases zur Einhaltung einer innerhalb bestimmter Grenzen konstanten Wobbe-Zahl.
Die Brennkammern der Gasturbine lassen Schwankungen der Wobbe-Zahl von ±5% bezogen auf den Referenzbrennstoff zu. Die Wobbe-Zahl Wo ist bestimmt durch Wo = Ho/?d, worin Ho der obere Heizwert und d das Dichteverhältnis von Brennstoff zu Luft ist. Über die genannten Grenzen hinaus gehende Schwankungen könnten Einfluss auf die Verbrennungs- und Flammenstabilität und damit die Betriebssicherheit der Gasturbine haben. Um diesen Einfluss auszuschalten, wird die Temperatur des Gases vor Eintritt in die Brennkammer so erhöht, dass die Wobbe-Zahl innerhalb der zulässigen Grenzen eingehalten werden kann.
An manche Gasturbinenanlagen wird die Forderung gestellt, dass Erdgas von verschiedenen Gaslieferanten und mit unterschiedlichem Heizwert je nach Bedarf und Angebot zum Einsatz kommen soll. Dabei kann die bei konstanter Temperatur mit dem Heizwert korrespondierende Wobbe-Zahl in einem bestimmten Bereich variieren, beispielsweise zwischen 12,0 kWh/Nm³ und 16,0 kWh/Nm³. Die Variationsbreite ist dann größer als die für die Brennkammer gerade noch als zulässig angesehene Grenze der Wobbe-Zahl von ±5%.
Aus der EP-A-0 075 369 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Wobbe-Zahl eines Gases bekannt, das in einer industriellen Feuerung verbrannt wird. Bei diesem Verfahren werden die Dichte des Gases und der Restsauerstoff in dem Verbrennungsgas einer Gasprobe bestimmt. Aus diesen Werten wird in einer Recheneinheit die Wobbe-Zahl ermittelt. Mit Hilfe der Wobbe-Zahl wird dann die Heizbelastung der Feuerung in der Weise konstant gehalten, dass der Druck des Gases geändert und entweder ein niederkaloriges oder ein hochkaloriges Gas dem Gas hinzugefügt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Anpassung an unterschiedliche Wobbe-Zahlen ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die bei Gasturbinenbrennkammern anwendbar sind, die mit Gas von wahlweise unterschiedlichem Heizwert beaufschlagt werden und wobei kurze Reaktionszeiten für die Umstellung auf eine andere Gassorte möglich sein müssen.
Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist Gegenstand des Anspruches 3. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei der Erfindung wird die der konstant zu haltenden Wobbe-Zahl entsprechende Gastemperatur vor Eintritt in die Gasturbinenbrennkammer über eine Beimischregelung mittels 3-Wege-Regelventil und Wärmetauscherbypass eingestellt. Diese Art der Schaltung gewährleistet eine schnelle Reaktionsfähigkeit auf die unterschiedlichen Anforderungen der Gasvorwärmung. Dadurch ist das geschaffene System weitgehend frei von konzeptbedingten Trägheitsmomenten. Für die Bestimmung der Wobbe-Zahl stehen handelsübliche Messgeräte zur Verfügung, die kurze Messzeiten in der Größenordnung von bis zu 20 s einhalten. Diese Messgeräte beruhen auf der Bestimmung der Wärmekapazität des untersuchten Gases oder auf der Bestimmung des Restsauerstoffgehalts nach einer Verbrennung einer Gasprobe. Aufgrund von empirischen Werten lässt sich aus den Messwerten die Wobbe-Zahl ableiten. Die eingesetzten Messgeräte unterscheiden sich damit von Gaschromatographen, die Analysenzeiten im Bereich mehrerer Minuten benötigen und für den vorgesehenen Zweck daher ungeeignet sind.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Die Zeichnung stellt ein Prinzipschaltbild zur Gasvorwärmung dar.
Die Brennkammer 1 einer Gasturbine ist mit einer Gasleitung 2 verbunden, an die mehrere einzeln absperrbare Gaszuführungleitungen angeschlossen sind. In den Gaszuführungsleitungen 3 sind Druckreduziereinrichtungen 4 angeordnet. Über jede der Gaszuführungsleitungen 3 wird ein handelsübliches Gas zugeführt, wobei sich die Gase im Heizwert bzw, in der Wobbe-Zahl unterscheiden. Die Temperatur der Gase liegt bei etwa 15°C. Die Wobbe-Zahl liegt abhängig von der Gassorte in einem bestimmten Bereich, beispielsweise zwischen 12,0 und 16,0 kWh/Nm³. Stromaufwärts von der Verbindung mit den Gaszuführungsleitungen 3 ist in der Gasleitung 2 ein Gasmischer 5 angeordnet.
In der Gasleitung 2 ist ein erster Wärmetauscher 6 angeordnet. Stromaufwärts von dem ersten Wärmetauscher 6 ist von der Gasleitung 2 eine Bypassleitung 7 abgezweigt, die stromabwärts von dem ersten Wärmetauscher 6 wieder in die Gasleitung 2 einmündet. Stromabwärts von der Einmündung ist in der Gasleitung 2 ein weiterer Gasmischer 5 angeordnet. An der Abzweigung der Bypassleitung 7 ist in der Gasleitung 2 ein 3-Wege-Regelventil 8 angeordnet, an das die Bypassleitung 7 angeschlossen ist.
Der erste Wärmetauscher 6 ist über einen Zwischenkreislauf 9 mit einem zweiten Wärmetauscher 10 gekoppelt. An den zweiten Wärmetauscher 10 sind eine Zuleitung 11 und eine Ableitung 12 für ein Heizmedium angeschlossen. Als Heizmedium dient Heizwasser aus dem Niederdruckvorwärmer eines an die Gasturbine angeschlossenen Dampferzeugers. In der Ableitung 12 ist ein Durchflussregelventil 13 angeordnet.
An die Gasleitung 2 ist stromaufwärts von dem ersten Wärmetauscher 6 ein Messgerät 14 zur Bestimmung der Wobbe-Zahl angeordnet, das mit einem Sollwertermittler 15 verbunden ist. In dem Sollwertermittler 15 wird die Temperatur des der Brennkammer 1 zugeführten Gases in Abhängigkeit von der innerhalb von bestimmten Grenzen konstant zu haltenden Wobbe-Zahl nach einer in dem Sollwertermittler 15 hinterlegten Abhängigkeit ermittelt.
Stromabwärts von dem ersten Wärmetauscher 6 ist in der Gasleitung 2 zwischen der Einmündung der Bypassleitung 7 in die Gasleitung 2 und der Brennkammer 1 ein Messfühler 16 zur Bestimmung der Temperatur des Gases angeordnet, der mit einem Temperaturregler 17 verbunden ist. Der Sollwertermittler 15 ist mit dem Temperaturregler 17 und der Temperaturregler 17 ist mit dem Antrieb des 3-Wege-Regelventils 8 verbunden. Weiterhin ist an die Gasleitung 2 zwischen dem ersten Wärmetauscher 6 und der Einmündung der Bypassleitung 7 ein mit einem weiteren Temperaturregler 18 verbundener Temperaturfühler angeordnet. Der Temperaturregler 18 ist mit dem Antrieb des Durchflussregelventils 13 verbunden.
Über eine der Gaszuführungsleitungen 3 wird ein Gas mit einem bestimmten Heizwert bzw. einer bestimmten Wobbe-Zahl zugeführt. Dieses Gas wird über das 3-Wege-Regelventil 8 in zwei Teilströme aufgeteilt. Der erste Teilstrom wird in dem ersten Wärmetauscher 6 auf eine konstante Temperatur von beispielsweise 125°C erwärmt. Der zweite Teilstrom wird ohne Erwärmung an dem ersten Wärmetauscher 6 über die Bypassleitung 7 vorbeigeführt, anschließend in die Gasleitung 2 zurückgeführt und mit dem ersten Teilstrom wieder vermischt. Durch diese Beimischregelung steigt die Temperatur in dem gemischten Gasstrom auf 20 bis 125 °C je nach Mengenverteilung der beiden Teilströme an. Diese Temperatur wird so geregelt, dass in dem Gas vor Eintritt in die Brennkammer 1 eine vorgegebene, konstante Wobbe-Zahl mit einer Schwankungsbreite von ±5% vorhanden ist.
Die Wobbe-Zahl des Ausgangsgases wird durch das Messgerät 14 ermittelt. Der Sollwertermittler 15 errechnet die Sollwert-Temperatur des Gases vor Eintritt in die Brennkammer 1 als Funktion der ermittelten Wobbe-Zahl des Ausgangsgases. Das Signal des Sollwertermittlers 15 wird dem Temperaturregler 17 übermittelt. Von dem Temperaturregler 17 wird ein entsprechendes Signal an den Antrieb des 3-Wege-Regelventil 8 gegeben. Das 3-Wege-Regelventil 8 teilt die Teilströme aufgrund dieses Signals so auf, dass die errechnete Gastemperatur vor Eintritt in die Brennkammer 1 erreicht wird.
Der Zwischenkreislauf 9 zwischen den beiden Wärmetauschern 6, 10 wird bei einer gleich bleibenden Durchflussmenge aufrecht erhalten. Das dem zweiten Wärmetauscher 10 zugeführte Heizmedium hat eine bestimmte Temperatur, beispielsweise von etwa 130 bis 145°C. Die Menge des den zweiten Wärmetauscher 10 durchströmenden Heizmediums wird durch das Durchflussregelventil 13 über den weiteren Temperaturregler 18 so eingestellt, dass die Temperatur in dem ersten Teilstrom des Gases am Ausgang des ersten Wärmetauscher 6 konstant bleibt, beispielsweise 125°C beträgt.

Claims

Verfahren zur Erwärmung eines der Brennkammer (1) einer Gasturbine zugeführten Gases zur Einhaltung einer innerhalb bestimmter Grenzen konstant zu haltenden Wobbe-Zahl, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennkammer (1) ein Gas von wahlweise unterschiedlichem Heizwert bei vorgegebenem Massenstrom zugeführt wird, dass die Wobbe-Zahl des jeweils zugeführten Gases in der zu der Brennkammer (1) führenden Gasleitung (2) bestimmt wird, dass die Temperatur des Gases vor Eintritt in die Brennkammer (1) zur Einhaltung der Wobbe-Zahl geändert wird, indem das jeweilige Gas in zwei Teilströme aufgeteilt wird, wobei der erste Teilstrom in einem Wärmetauscher (6) auf eine konstante Temperatur erwärmt wird und der zweite Teilstrom ohne Vorwärmung an dem Wärmetauscher (6) vorbei geführt wird, dass die Teilströme vor dem Eintritt in die Brennkammer (1) wieder miteinander zu einem Mischstrom vermischt werden und dass über ein 3-Wege-Regelventil (8) die Teilströme derart aufgeteilt werden, dass in dem Mischstrom die der konstant zu haltenden Wobbe-Zahl entsprechende Temperatur eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilstrom das Gases durch einen Zwischenkreislauf (9) mit dem von dem ersten Teilstrom durchströmten Wärmetauscher (6) und mit einem von einem Heizmedium durchströmten, zweiten Wärmetauscher (10) erwärmt wird, dass die Durchflussmenge des Zwischenkreislaufes (9) konstant gehalten wird und dass die konstant zu haltende Temperatur des ersten Teilstromes des Gases über die Durchflussmenge des Heizmediums durch den zweiten Wärmetauscher (10) geregelt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Erwärmung eines der Brennkammer (1) einer Gasturbine zugeführten Gases zur Einhaltung einer innerhalb bestimmter Grenzen konstanten Wobbe-Zahl, nach Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (1) mit einer Gasleitung (2) verbunden ist, an die mehrere Gaszuführungsleitungen (3) zur Zuführung eines von mehreren Gasen mit unterschiedlichem Heizwert angeschlossen sind, dass in der Gasleitung (2) ein erster Wärmetauscher (6) angeordnet ist, dass von der Gasleitung (2) stromaufwärts von dem ersten Wärmetauscher (6) eine Bypassleitung (7) abgezweigt ist, die stromabwärts von dem ersten Wärmetauscher (6) wieder in die Gasleitung (2) einmündet, dass an dem Abzweig der Bypassleitung (7) von der Gasleitung (2) ein 3-Wege-Regelventil (8) angeordnet ist, dass an die Gasleitung (2) stromaufwärts von dem ersten Wärmetauscher (6) ein Messgerät (14) zur Bestimmung der Wobbe-Zahl angeordnet ist, an das ein Sollwertermittler (15) zur Erfassung der Gastemperatur in Abhängigkeit von der gewünschten Wobbe-Zahl angeschlossen ist, dass in der Gasleitung (2) stromabwärts von dem ersten Wärmetauscher (6) zwischen der Einmündung der Bypassleitung (7) in die Gasleitung (2) und der Brennkammer (1) ein Messfühler (16) zur Erfassung der Temperatur des Gases angeordnet ist, wobei der Messfühler mit einem Temperaturregler (17) verbunden ist und dass der Sollwertermittler (15) über den Temperaturregler (17) mit dem Antrieb des 3-Wege-Regelventils (8) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (6) über einen Zwischenkreislauf (9) mit einem zweiten Wärmetauscher (10) gekoppelt ist, dass an den zweiten Wärmetauscher (10) eine Zuleitung (11) und eine Ableitung (12) für ein Heizmedium angeschlossen sind, dass in der Ableitung (12) ein Durchflussregelventil (13) angeordnet ist, dass an die Gasleitung (2) zwischen dem ersten Wärmetauscher (6) und der Einmündung der Bypassleitung (7) ein weiterer Temperaturregler (18) angeschlossen ist und dass der Temperaturregler (18) mit dem Antrieb des Durchflussregelventils (13) verbunden ist.