DE2005656C - Offene Gasturbinenanlage - Google Patents

Description

In diesem Zusammenhang ist die Wasserdampf-

60 Sättigung der Verbrennungsluft und die Sättigung der

Brenngase in der Reinigungsstufe bereits vorgeschlagen worden. Das Maß der Wasserdampfanreicherung ist

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben hierbei aber auf die Sättigung der Verbrennungsteileiner offenen Gasturbinenanlage mit Brenngasen, die nehmer unter den jeweiligen Druck- und Temperaturdurch Druckvergasung erzeugt und vor Eintritt in die 65 Verhältnissen beschränkt.

Brennkammer auf nassem Wege gereinigt und mit Es ist auch bereits das direkte Einspritzen von ent-

Wasserdampf gesättigt werden. sprechend hochgespanntem Dampf vorgeschlagen

Gasturbinenanlagen erfordern als Arbeitsmittel ein worden. Diese Maßnahme erfordert aber eine seson-

r eingangs beschriebenen Art weiter dabei insbesondere die Abwarme-

dadurch gelöst, Sfittl

15

30

ι auf höhere Temperatur gebracht und leren Temperatur zusätzlich mit Wasserampf bis zur Sättigung angereichert werden. Ferner wird vorgeschlagen, daß die in der ersten Stufe erforderliche Zusatzwassermenge ganz oder teilweise dem Umlaufwasser der zweiten Stufe entnommen wird und daß zum Umlaufwasser der zweiten Stufe eine entsprechende größere Zusatzwassermenge zuge-

^ge („"waterer Ausbildung der Erfindung wird zwischen (W ersten und zweiten Stufe eine Kühlung der Brennoase mit nachfolgender Tropfenabscheidung vorgesehen, wobei das entstehende Kondensat der ersten Stufe

Tuacführt wird.

" Das Umlaufwasser der zweiten Stufe wird ernndungsgemäß durch Abwärme des Abgasstroms hinter der Gasturbine erwärmt.

Nach einer anderen Ausführung des Erfindungs-Bcdankens wird das Umlaufwasser der zweiten Stufe durch die Abwärme des Vergasungsprozesses erwärmt. Für die Vorwärmung des Zusatzwassers und gegebenenfalls für die Erwärmung des Umlaufwassers können auch andere in der Gesamtanlage anfallende Abwärmemengen verwertet werden.

Das Zusatzwasser kann erfindungsgemaß lösliche organische Bestandteile enthalten oder mit Ol bzw. Teer versetzt sein.

Besonders wirtschaftlich arbeitet die Gasturbinenanlage wenn die Abgase der Turbine bis unter den Taupunkt abgekühlt werden und die gewonnenen Vämemengen in den Prozeß zurückgeführt werden Die Anwendung des Erfindungsgedankens ist nicht auf die einfache, mit einer Druckvergasung kombinierte Gasturbinenanlage beschränkt. Er kann in gleicher Weise auch bei solchen Gasturbinenanlagen verwirklicht werden, die außerdem mit einer Dampfturbinenanlage kombiniert sind, und auch bei solchen, bei denen dem Brenner noch eine Entspannungsturbine vorgeschaltet ist, sowie auch bei solchen Anlagen, bei denen vor der Brennkammer eine Entspannungsturbine und nach dem Brenner lediglich eine Dampfturbinenanlage angeordnet ist, wobei also eine offene Gasturbine nach der Brennkammer nicht vorgesehen ist. Pie Erfindung wird an Hand von Schaltungsbeispie-

len näher erläutert. . . ,

In FiE 1 ist schematisch das vereinfachte Schaltungsbild einer offenen Gasturbinenanlage dargestellt. Durch die Leitung 1 strömt das durch Druckvergasung erzeugte Brenngas in einen Naßrein.ger 2, wo S im Gegenstrom mit Wasser gereinigt und nut Wa serdanfof gesättigt wird. Durch Le.tung3 tr, das Brenngas sodann in den Sättiger 4 em, der im Prinzip we der Naßreiniger2 ausgebildet ist. Im Sättiger4 w rd das Brenngas mittels durch Aowärme erwärmten UmVufwassers'auf höhere Temperatur gebracht und bei dieser höheren Temperatur zusätzlich mit Wasserdamnf bis zur Sättigung angereichert.

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Das Umlaufwasser wird

und zusätzliche Wasserriiche Zusatzwasser wird W zugeführt, im Vor« erwärmt und über Le.tung23 in

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zusammen mit

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Leitung 30, den Absche.der31 und d _den

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wird die temperatur der Brenngas _{6 D}-

Wasserdampfanreicherung erhöht. Dadurch wird der Durchsatz durch die Gasturbine erhöht und gleichzeitig die Temperatur der Verbrennungsgase erniedrigt. F i g. 2 zeigt schematisch das vereinfachte Schaltungsbild einer offenen Gasturbinenanlage, die mit einer Dampfturbinenanlage kombiniert ist. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird die Anlage, soweit sie F i g. 1 entspricht, nicht nochmals im einzelnen beschrieben. Sich entsprechende Anlageteile sind mit Bezugszahlen versehen, die sich aus 100 und der Bezugszahl aus F i g. 1 zusammensetzen (z. B. 101 entspricht 1,121 entspricht 21 usw.).

Hinzugekommen ist die Dampfturbinenanlage, bestehend aus dem Wärmeaustauscher 151 in der Brennkammer 106,. der Dampfleitung 152, der Dampfturbine 153, der Abdampfleitung 154, dem Kondensator 155, ;.o der Kondensatleitung 156, dem Wärmeaustauscher 157 im Abgaskanal 112 und der Leitung 158. Die Dampfturbine 153 treibt den Generator 159 an und gibt über die Leitung 144 Anzapfdampf für den Gaserzeuger ab. Durch die Kombination von Gasturbinenanlage und Dampfturbinenanlage erhält man eine sehr flexible Gesamtanlage, die je nach den Anforderungen durch entsprechende Aufteilung der Nutzleistung mehr als Spitzenlastkraftwerk oder als Grundlastkraftwerk ausgelegt werden kann.

Durch den Wärmeentzug in der Brennkammer und die Verwertung eines Teils der Abwärme der Gasturbinenanlage für die Dampfturbinenanlage kann man die spezifischen Probleme der Gasturbinenanlage besser beherrschen. Aber auch bei derartigen kombi-65 nierten Anlagen ist der Erfindungsgedanke mit Vorteil anwendbar. Die Abwärmeausnutzung für die Dampfturbinenanlage ist begrenzt, so daß es wärmetechnisch günstig ist, wenn durch das Umlaufwasser für den

Sättiger ein weiterer Abwärmeanteil, insbesondere im Das ungereinigte Brenngas enthält außerdem

unteren Temperaturbereich, ausgenutzt werden kann. 0,142 kg/Nm³ Wasserdampf sowie 30 g/Nm³ Schwel-Außerdem ist natürlich der höhere Durchsatz durch die produkte und hat eine Temperatur von 550° C. Dieses Gasturbine vorteilhaft. Brenngas wird zunächst in einer ersten Stufe gereinigt,

Fig. 3 stellt eine weitere Anwendungsmöglichkeit 5 wobei es sich auf 162°C abkühlt. Durch Einspritzen des Erfindungsgedankens dar. Die Anlage gemäß von kaltem Zusatzwasser wird es danach auf 161°C F i g. 2 ist einerseits durch eine Entspannungsturbine abgekühlt, wobei sich Nebel bilden, mit denen die 272 für die Brenngase und andererseits durch einen letzten Spuren Staub entfernt werden. Der Wasser-Nebelerzeuger 260 erweitert worden. dampf anteil beträgt jetzt 0,427 kg/Nm *. Im Sättiger

Es werden nur die neu hinzugekommenen. Anlage- io erfolgt eine Temperaturerhöhung auf 165° C und teile beschrieben. Die Bezugszahlen der aus F i g. 2 Wasserdampfanreicherung bis zur Sättigung bei dieser bereits bekannten Anlageteile setzen sich aus 200 und höheren Temperatur mittels durch Abwärme der Abden beiden Endziffern gemäß F i g. 2 zusammen gase hinter der Gasturbine erwärmten Umlaufwassers, (z. B. 201 entspricht 101 — oder 1 aus F i g. 1; 221 so daß das Brenngas danach einen Wasserdampfgehalt entspricht 121 — oder 21 aus F i g. 1). 15 von 0,5 kg/Nm³ bei einem Druck von 19,5 ata aufweist.

Die mit Wasserdampf gesättigten Brenngase ver- Durch das Umlaufwasser werden dabei 142 000 kcal

lassen den Sättiger 204 durch die Leitung 205 und bezogen auf 11 eingesetzte Kohle bzw. 2840 Nm³ werden im Wärmeaustauscher 270 im Abgaskanal 212 Brenngas aus dem Abgas hinter der Gasturbine in das bezüglich ihres Wasserdampfanteils überhitzt. Durch Brenngas vor der Brennkammer zurückgeführt.
Leitung 271 werden sie dann der Entspannungsturbine ao

272 zugeführt und anschließend über Leitung 273 in die B e i s ρ i e 1 2

Brennkammer 206 geleitet. Die Entspannungsturbine

272 treibt einerseits den Generator 275 und anderer- Bei der Vergasung von Schweröl mit einem unteren

seits einen Luftkompressor 274, der einen Teil der im Heizwert von 9800 kcal/kg mittels Luft und Wasser-Kompressor 209 verdichteten Luft über Leitung 242 25 dampf entsteht ein Brenngas folgender Zusammenaufnimmt, weiter verdichtet und über Leitung 243 an Setzung:
den Gaserzeuger abgibt. _rf) ~_n„.

Im Nebelerzeuger 260 wird das über Leitung 203 ~~* ' '°

ankommende gesättigte Brenngas mit Umlaufwasser *-" 22,4 /₀

(Leitung 281 und 283) und kaltem Zusatzwasser 30 H₁ 16,2%

(Leitung 280) geringfügig gekühlt, wobei durch Nebel- CH₄ 0,1 %

bildung eine weitere Staubabscheidung möglich wird, jj _ 58 9°/

und über Leitung 261 an den Sättiger 204 weitergelei- „ c _{0 4}o/

tet. Ein Teil des staubbeladenen Umlaufwassers des ² ' '°

Nebelerzeugers 260 wird über Leitung 282 in den 35 Der Wasserdampfgehalt beträgt 0,043 kg/Nm³. Mit Wasserumlauf des Naßreinigers 202 eingeschleust. dem Brenngas werden 2,1 % Ruß bezogen auf die ein-

Mit einer derartigen Anlage kann das für die Gas- gesetzte Ölmenge aus dem Druckvergaser ausgetragen, turbine optimale Druckniveau, unabhängig vom Nach Durchlaufen eines Abhitzekessels zur Dampf-Druckniveau der Druckvergasung, durch entspre- erzeugung unter anderem für die Schwerölvergasung chende Entspannung in der Entspannungsturbine 272 40 steht das Brenngas mit 330° C für die Gasturbineneingestellt werden, wobei zusätzlich Nutzenergie ge- anlage zur Verfugung. Das Gas wird wie in Beispiel 1 Wonnen wird. gereinigt und gekühlt und erreicht dabei eine Tempera-

Die Einschaltung des Nebelerzeugers ermöglicht eine tür von 132° C und einen Wasserdampfgehalt von noch bessere Staubabscheidung aus dem Brenngas, als 0,148 kg/Nm³. In der zweiten Stufe wird das Brenngas sie durch den Naßreiniger allein erzielt wird. 45 durch erwärmtes Umlauf wasser auf eine Temperatur

Auch bei derartig erweiterten Anlagen wird durch von 159 ³C bei 19,5 ata gebracht und bei dieser höheren Anwendung des Erfindungsgedankens eine weitere Temperatur gesättigt, so daß es einen Wasserdampf-Verbesserung erzielt, denn auch hier wird durch zu- gehalt von 0,393 kg/Nm³ aufweist. Durch das Umlaufsätzliche Abwärmeausnmzung und höheren Durchsatz wasser werden dabei 842 000 kcal bezogen auf 1 Tonne durch die beiden Gasturbinen der Wirkungsgrad ge- 50 Schweröl bzw. 6250 Nm⁸ Brenngas aus dem Abgas steigert. hinter der Gasturbine in das Brenngas vor der Brenn-

Die folgenden Berechnungsbeispiele geben eine kammer zurückgeführt.

weitere Erläuterung der Erfindung. Die Erfindung ermöglicht eine unter Umständen be

trächtliche Steigerung der Brenngastemperatur gegen-

Beispiell 55 über dem bei der Reinigung erreichten Temperatur-

nivcau. Diese Temperatursteigerung wäre im Hinblick

Bei der Vergasung von Gasflammkohle mit 7,5 °/„ auf die notwendige Senkung der Temperatur der VerFeuchtigkeit, 14,5% Asche und einem unteren Heiz- brennungsgase auf die zulässige Gasturbineneintrittswert von 5850 kcal/kg mittels Luft und Wasserdampf temperatur widersinnig, wenn sie nicht mit einer entbei 20 ata werden pro Tonne Kohle 2840 Nm* Brenn- 60 sprechend höheren Wasserdampfanreicherung vergas folgender Zusammensetzung erhalten: bunden wäre. Der bei der Verbrennung als Ballast

anzusehende höhere Wasserdampfanteil bewirkt, daß

COj 14,0% die — mit Rücksicht auf die zulässige Gasturbinen-

CH_m 0,2 % eintrittstemperalar — an sich unerwünschte Steigerung

CO 15,8% 65 der Temperatur der Brenngase nicht zu einer Erhö-

Hj 25,0% hung, sondern zu einer Erniedrigung der Temperatur

CH, 5,0% der Verbrennungsgase führt. Die Steigerung der Brenn-

N₁ 40,0% gastemperatur, verbunden mit der Steigerung des

Wasserdampfanteils ermöglicht also eine Einflußnahme turbine vor der Brennkammer vorteilhaft ist, kann er auf die Temperatur der Verbrennungsgase in der ge- in breitem Maße angewendet werden,
wünschten Sung. ^D<* 8^{rößte Vorteil 1}^*^darin-^{daß das} Unilaufwasser

Aber nicht nur hinsichtlich der zulässigen Turbinen- nur bis weit unterhalb seiner Siedetemperatur erwärmt eintrittstemperatur ergeben sich Vorteile durch die 5 werden muß, weil die Anreicherung der Brenngase Erfindung Durch die Erhöhung des Durchsatzes durch beim Wasserdampfteildruck erfolgt. Auf diese Weise die Gasturbine bzw. Entspannungsturbine kann deren ist es möglich, die Abgase mit dem Umlaufwasser Leistung proportional gesteigert werden. Diese wesentlich weiter herunterzukühlen, als dies bei einem Leistunissteigerung wäre selbst dann zu begrüßen, für den gleichen Zweck eingesetzten besonderen wenn infolge der erhöhten Abgasmenge auch ein ent- io Dampficessel der Fall ware; das heißt aber auch, daß sprechend erhöhter Abgasverlust zu verzeichnen wäre. im Sinne des zweiten Hauptsatzes der ThermodynamiK Gemäß der Erfindung ist dies aber nicht der Fall, da auch weniger wertvolle Wärmemengen für die Gasein beträchtlicher Teil der Abwärme durch das Umlauf- turbinenanlagen zurückgewonnen werden können,
wasser in die Brenngase zurückgeschleust wird. Infolge- Die erfindungsgemäße Kombination der Naßreini-

dessen erhöht sich durch die Maßnahmen der Erfin- 15 gung mit der unmittelbar darauf folgenden Gaserwärdung nicht nur die Leistung der Gasturbinenanlage, mung und Aufsättigung, gegebenenfalls unter Zwisondern auch deren Wirkungsgrad. Damit wird eine scher.schaltung eines Nebelerzeugers zur Rcstabscheswesentliche Verbesserung gegenüber Gasturbinen- dung feinster Staub- oder Rußteilchen, stellt eine beanlaeen dieses Typs nach dem Stande der Technik er- sonders zweckmäßige Verfahrensanordnung dar, mit zielt Da der Erfindungsgedanke auch bei kombinierten »o Hilfe deren die Auf Sättigung des Gases mit bestem Gas-Dampfanlagen und Anlagen mit Entspannung- Erfolg durchgeführt werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche- möglichst staubfreies nicht aggressives Gas, dessen * Temperatur am Turbineneintritt aas Werkstoffgründen

1. Verfahren zum Betreiben einer offenen Gas- bestimmte Höchstwerte nicht überschreiten darf. Beim turbinenanlage mit Brenngasen, die durch Druck- Betreiben einer Gasturbinenanlage mit Brenngasen aus vergasung erzeugt und vor Eintritt in die Brenn- 5 einem Druckvergaser besteben hinsichtlich Staubkammer auf nassem Wege gereinigt und mit freiheil und Agressivität im allgemeinen keine Schwie-

■ Wasserdampf gesättigt werden, dadurch ge- rigkeiten, weil diese Brenngase im Anschluß an die

kennzeichnet, daß die Brenngase zunächst Druckvergasung gereinigt werden. Die Reinigung er-

in einer ersten Stufe mittels Umlaufwasser gereinigt f jlgt dabei 'meist auf nassem Wege, d. h., der Brenn-

und daß sie anscfaließend in einer zweiten Stufe io gasstrom wird einer Berieselung von Wasser ausgesetzt,

mittels durch Abwärme erwärmten Umlaufwassers wobei sich der Staub an die fallenden Wassertröpfchen

auf höhere Temperatur gebracht und bei dieser anlagert und ausgespült wird. Eine besonders intensive

höheren Temperatur zusätzlich mit Wasserdampf Reinigung wird dadurch erreicht, daß ein Teil des

bis zur Sättigung angereichert werden. Wassers verdampft. Dieser Dampf wird seinerseits

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 15 zum Teil mit den Brenngasen aus dem Reiniger abgezeichnet, daß die in der ersten Stufe erforderliche führt, zum Teil kondensiert er aber auch, wobei die Zusarzwassermenge ganz oder teilweise dem Um- Staubpartikeln als Kondensationskerne dienen. Auf laufwasser der zweiten Stufe entnommen wird und diese Weise werden die Staubpartikeln durch Wasserdaß zum Umlaufwasser der zweiten Stufe eine ent- anlagerung schwerer und können leichter vom Brennsprechend größere ZusatTwassermenge zugegeben »o gas abgetrennt werden.

wird. " Bei der Naßreinigung wird dem Brenngas ein Teil

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch seiner fühlbaren Wärme entzogen und geht damit für gekennzeichnet, daß zwischen der ersten und zwei- die Gasturbinenanlage verloren. Fs ist daher bereits ten Stufe eine Kühlung der Brenngase mit nach- vorgeschlagen worden, die Druckvergasung so zu folgender Tropfenabscheidung erfolgt, wobei das »5 führen, daß am Austritt mit Wasserdampf gesättigtes entstehende Kondensat der ersten Stufe zugeführt Brenngas (ungereinigtes Rohgas) vorliegt, und das wird. Reinigungswasser auf gleichem Temperaturniveau zu

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, halten wie die Brenngase, so daß im Reiniger kein dadurch gekennzeichnet, daß das Umlaufwasser Wärmeaustausch stattfindet und nur die im Staub der zweiten Stufe durch Abwärme des Abgasstroms 30 selbst gebundene Wärme verlorengeht.

hinter der Gasturbine erwärmt wird. Bei einer derartigen Anlage wird Wasser bzw. Dampf

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, entweder mit dem zu vergasenden Brennstoff, mit dem dadurch gekennzeichnet, daß zur Erwärmung des Vergasungsmittel (Luft) oder direkt in den Druck-Umlaufwassers der zweiten Stufe Abwärme des vergaser eingebracht. Der Wasserdampfanteil im Vergasungsprozesses benutzt wird. 35 Brenngas ist also von der Führung dei Druckvergasung

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, abhängig und kann nicht ohne weiteres auf die Erfordadurch gekennzeichnet, daß zur Vorwärmung des dernisse der Gasturbinenanlage eingestellt werden. Zusatzwassers und gegebenenfalls zur teilweisen Bei ähnlichen Anlagen ohne Sättigung der Brenngase Erwärmung des Umlaufwassers sonstige, in der am Austritt aus dem Druckvergaser ist der Wasser-Gesamtanlage anfallende Abwärmemengen ver- 40 dampfanteil auf die bei der Naßreinigung erreichte wertet werden. Sättigung beschränkt. Eine möglichst hohe Wasser-

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dampfanreicherung ist aber aus verschiedenen Gründadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzwasser den erwünscht. Einerseits kann man dadurch eine Ablösliche organische Bestandteile enthält oder mit öl Senkung der Verbrennungstemperatur erreichen, zum bzw. Teer versetzt ist. 45 anderen wird der Durchsatz und damit auch die Lei-

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, stung der Gasturbine erhöht.

dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase der Gas- Da die Gasturbine werkstoffbedingt nicht mit belie-

turbine bis unter ihren Taupunkt abgekühlt werden big hohen Gaseintrittstemperaturen arbeiten kann, ist

und daß die gewonnenen Wärmemengen mittels es erforderlich. Maßnahmen zu ergreifen, um die Temdes Umlaufwassers zurückgewonnen werden. 50 peratur der Verbrennungsgase zu senken. Dies kann

9. Anwendung des Verfahrens nach einem der durch Wärmeentzug in oder hinter der Brennkammer Ansprüche 1 bis 8 auf offene Gasturbinenanlagen, erfolgen, wobei diese Wärme sinnvollerweise in einem die mit einer Dampfturbinenanlage kombiniert Dampfprozeß ausgenutzt wird. Man kann die Tempesind. ratur der Verbrennungsgase aber auch dadurch senken,

10. Anwendung des Verfahrens nach einem der 55 daß man gasförmige Medien zumischt, und zwar entAnsprüche 1 bis 8 auf offene Gasturbinenanlagen, weder unmittelbar zu den Verbrennungsgasen oder bei denen vor der Brennkammer eine Entspan- aber auch bereits vor der Brennkammer zu den Brennnungsturbine vorgesehen ist. gasen und der Verbrennungsluft.