DE3702654A1

DE3702654A1 - Verfahren zum betrieb einer gasturbinenanlage mit heizwertschwachem brennstoff

Info

Publication number: DE3702654A1
Application number: DE19873702654
Authority: DE
Inventors: David Horace Archer; Mohammed Mushtaq Ahmed
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1986-02-07
Filing date: 1987-01-29
Publication date: 1987-08-13
Also published as: GB2186327B; ZA87449B; JPH0672551B2; GB8702687D0; CA1288959C; BE1000183A5; JPS62186018A; US4677829A; GB2186327A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage mit heizwertschwachem Brennstoff nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Unter kommerziellen Gesichtspunkten ist der Einsatz von Gasturbinen zur Erzeugung elektrischer Energie mit ggfs. gleichzeitiger Erzeugung von Dampf wünschenswert. Solche Gasturbinen weisen normalerweise mindestens eine Verdichtereinheit, mindestens eine Brenneinrichtung und mindestens eine Expansionseinheit in Form einer Turbine auf. Die Wirkungsgrade dieser verschiedenen Anlagenkomponenten sind unter anderem auch vom Heizwert des verbrannten Gases abhängig.

Es besteht ein wachsendes Interesse daran, in Gasturbinen- Generator-Anlagen auch Gase mit niedrigerem Heizwert als die herkömmlicherweise verwendeten Gase einzusetzen. Solche heizwertarmen Brenngase können beispielsweise durch Vergasung von heizwertarmen Brennstoffen, wie beispielsweise Torf und/oder brennbarer Abfälle im Luftblaseverfahren hergestellt werden, und diese Brenngase enthalten dann beträchtliche Mengen an Sauerstoff und Wasserdampf und können durch Verdampfung von Sprühwasser von der Vergasungstemperatur auf eine für die Verwendung in der Brenneinrichtung einer Gasturbinenanlage geeignete Temperatur herabgekühlt werden.

Wenn solche heizwertarmen Gase in einer Gasturbinenanlage verwendet werden, ist es üblicherweise notwendig, einen Teil der durch die Verdichtereinheit der Anlage passierenden Luft abzuzweigen. Die große Menge von feuchtem, heizwertarmen Brenngas, die zum Erreichen der Konstruktionseinlaßtemperatur der Expansionseinheit in der Brenneinrichtung der Anlage benötigt wird, führt zu einem erhöhten Massenstrom durch die Expansionseinheit und zu einem erhöhten Einlaßdruck an der Expansionseinheit. Eine Luftanzapfung am Auslaß dieser Verdichtereinheit kann dann erforderlich sein, um durch Begrenzung des Durchsatzes der Expansionseinheit und folglich des Druckes am Auslaß der Verdichtereinheit und am Einlaß der Expansionseinheit Pumpschwingungen in der Verdichtereinheit zu vermeiden. Dabei kann eine Luftanzapfung bis zu etwa 20% notwendig sein, je nach dem Heizwert je Raumeinheit und der Temperatur des Brenngases. Diese Abzweigluft stellt einen Energieverlust dar, denn diese abgezweigte Luft ist in der Verdichtereinheit unnötigerweise vom Umgebungsluftdruck auf einen Überdruck von 8 bis 20 bar verdichtet worden. Typischerweise beträgt der Energieverlust bis zu 30% der von der Gasturbinenanlage erzeugten Energie. Alternativ dazu kann die Luft in einer Hilfseinrichtung zur Rückgewinnung der Verdichtungsenergie entspannt werden, aber eine solche Hilfseinrichtung in Form einer zusätzlichen Expansionseinheit erfordert zusätzliche Anlageninvestitionen.

In der US-PS 31 50 487 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage mit einer Verdichtereinheit, einer Brenneinrichtung und einer Expansionseinheit beschrieben, wobei die Abgase zur Dampferzeugung zum Betrieb einer Dampfturbine und, entweder direkt oder indirekt, zur Vorwärmung der zur Verdichtereinheit zugeführten Luft ausgenützt werden. In dieser Druckschrift werden Verbesserungen hinsichtlich des Wirkungsgrads einer integrierten Kraftwerksanlage mit einer Gasturbine sowie einer Dampfturbine behauptet, die mit durch Abgase der Gasturbine erzeugtem Dampf betrieben wird.

Die US-PS 34 22 800 bezieht sich auf ein verbessertes Regelsystem für eine Anlage mit einer Gasturbine und einem Abwärmekessel ähnlich der Anlage nach der US-PS 31 50 487, wobei die Dampferzeugung des Abwärmekessels auch bei Schwankungen der Gasturbinenbelastung unabhängig steuerbar ist.

In der US-PS 37 03 807 ist eine Verbesserung des Verfahrens nach der US-PS 31 50 487 insoweit beschrieben, als dort ein Teil des Kesselabgases mit Umgebungsluft vermischt wird, die vor der Filtrierung des Abgases eingeleitet wird, was eine Verringerung der Wärmeverluste durch den Schornstein und insoweit eine Steigerung des Wirkungsgrads der Kraftwerksanlage mit sich bringt.

Nach der US-PS 44 26 842 wird ebenfalls einer Verdichtereinheit zugeführte Luft erwärmt, wobei sich diese Druckschrift dann auf eine Einrichtung zur Wärmerückgewinnung bezieht, wodurch ein Teil der Abwärme in den Verbrennungsgasen nach ihrer Expansion mit Hilfe einer Regeneratoreinrichtung in den Verbrennungsluftstrom zurückgeführt wird.

Während die letztere Druckschrift als Brennstoff Erdgas oder flüssigen Brennstoff vorsieht, beziehen sich die drei zuvor erörterten Druckschriften nicht auf die Verwendung eines speziellen Brennstoffs in den Brenneinrichtungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Verwendung von heizwertarmem feuchtem Brennstoff in einer Gasturbinen-Dampfturbinen-Anlage einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren gelöst.

Demgemäß arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren mit einer Erhöhung der Absoluttemperatur der Einlaßluft zur Reduzierung oder Eliminierung der Notwendigkeit der Luftanzapfung aus der Anlage, wie sie bei herkömmlichen Anlagen notwendig ist. Brennstoff- und Luftstrom werden also verringert, wobei jedoch die Leistungsabgabe unverändert aufrechterhalten bleibt.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens können also Gasturbinen-Generator-Anlagen feuchte heizwertarme Brenngase bei nur geringer oder überhaupt keiner Anzapfung des Verdichterauslasses, also ohne den normalerweise damit verbundenen Energieverlust und unnötigen Kostenaufwand verarbeiten. Bei diesem Verfahren, bei welchem die Leistungsabgabe der Gasturbine aufrechterhalten bleibt, jedoch der erforderliche Brennstoff- und Luftdurchsatz verringert wird, wird die Eintrittsluft so weit vorgewärmt, daß die Absoluttemperatur der Eintrittsluft zur Verdichtereinheit angehoben wird, was ihre Dichte und folglich den Massendurchsatz verringert, obwohl die Verdichtereinheit einen im wesentlichen gleichbleibenden Volumenstrom an ihrem Einlaß aufnimmt. Es hat sich gezeigt, daß die Anhebung der Absoluttemperatur der Eintrittsluft zur Verdichtereinheit bei Verwendung von feuchten heizwertarmen Brenngasen in der Brenneinrichtung den Luftdurchsatz durch die Verdichtereinheit verringert und folglich die Notwendigkeit der Luftanzapfung wesentlich verringert oder sogar ganz eliminiert. Durch die Erhöhung der Absoluttemperatur der Eintrittsluft um etwa 5 bis 30%, im allgemeinen um etwa 8 bis 20% über die Umgebungstemperatur bzw. über die im allgemeinen verwendete Lufteintrittstemperatur kann der Massendurchsatz der Luft um nahezu den gleichen Prozentsatz verringert werden und das Maß der sonst notwendigen Luftanzapfung kann in entsprechendem Maße wesentlich verringert oder sogar ganz überflüssig werden.

Die Veränderung der Lufteintrittstemperatur beeinträchtigt die Verdichtungsarbeit nicht, weil die Verdichtungsarbeit für ein gegebenes Druckverhältnis direkt proportional zum Produkt aus der Absoluttemperatur und dem Luftdurchsatz ist, der umgekehrt proportional zur Absoluttemperatur ist. Wenn also Temperatur und Druck an der Expansionseinheit konstant gehalten werden, ergibt das Konstantbleiben des Durchsatzes ein Konstantbleiben der Leistungsabgabe.

Während die Anhebung der Eintrittstemperatur keinen wesentlichen Einfluß auf die Leistungsabgabe der Gasturbine hat, wird dadurch die erforderliche Menge der Brennstoffzufuhr verringert. Da eine höhere Lufteintrittstemperatur eine ebenfalls erhöhte Luftaustrittstemperatur am Auslaß der Verdichtereinheit zur Folge hat, ist weniger Brennstoff erforderlich, um die Temperatur auf die Konstruktionseinlaßtemperatur am Einlaß der Expansionseinheit anzuheben. Auf diese Weise wird der Gasturbinenwirkungsgrad, d. h. das Verhältnis von Leistungsabgabe zu Brennstoffeinsatz, verbessert.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mehr im einzelnen beschrieben. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung des Betriebs eines Gasturbinen- Generator-Satzes nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Einrichtung zum Anheben der Temperatur der zur Verdichtereinheit zugeführten Luft, und

Fig. 2 eine vereinfachte schematische Darstellung einer anderen Einrichtung zum Anheben der Temperatur der zur Verichtereinheit zugeführten Luft.

Gemäß Fig. 1 wird ein fester Brennstoff, beispielsweise Torf oder brennbare Abfälle, durch einen Förderkanal 2 in einen Vergaser 4 zugeführt, in welchem durch irgendein an sich bekanntes Verfahren, beispielsweise durch Vergasung im Luftblaseverfahren, der feste Brennstoff in ein gasförmiges Produkt umgewandelt wird, nämlich hauptsächlich in einen gasförmigen Brennstoff mit niedrigem Heizwert, beispielsweise Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Unter niedrigem Heizwert ist ein Heizwert des so erzeugten Gases im Bereich von etwa 2800 kJ/m³ bis etwa 5300 kJ/m³ gemeint. Das so erzeugte gasförmige Produkt wird durch eine Leitung 6 in eine Sprüheinrichtung 8 geleitet, in welcher Wasser aus einer Leitung 10 eingesprüht wird, um die Temperatur des Gases auf eine Höhe zu verringern, mit welcher es in der Brenneinrichtung 12 verwendbar ist. Etwa noch unverdampftes Sprühwasser wird durch eine Leitung 14 aus der Sprüheinrichtung 8 abgezogen. Das heruntergekühlte Gas wird dann durch eine Leitung 16 zu einem Filter 18 geleitet, in welchem im wesentlichen sämtliche Feststoffteilchen aus dem Gas abgeschieden werden, und schließlich gelangt das Gas durch eine Leitung 20 zur Brenneinrichtung 12.

Durch eine Leitung 22 wird vorgewärmte Luft in die Verdichtereinheit 24 zugeführt, in welcher sie auf einen angehobenen Druckpegel verdichtet wird, wie im herkömmlichen Gasturbinenzyklus, und dann durch eine Leitung 26 abgeführt wird. Ein Teil der Luft aus der Leitung 26 wird durch eine Leitung 28 zu einem Wärmetauscher 30 geleitet und tritt aus diesem durch eine Leitung 32 aus.

Bei herkömmlicher Betriebsweise unter Verwendung von heizwertarmen Brenngasen wäre es nötig, bis zu etwa 20 Volumenprozent der verdichteten Luft durch ein Ventil 34 in einer Auslaßleitung 36 abzulassen. Dies wäre wegen der erforderlichen großen Masse an feuchtem, heizwertschwachem Brenngas in der Brenneinrichtung 12 notwendig, um die Konstruktionseinlaßtemperatur der Expansionseinheit zu erreichen, was dann einen erhöhten Massendurchsatz an Luft durch die Expansionseinheit und einen erhöhten Einlaßdruck an der Expansionseinheit nach sich ziehen würde. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren braucht nur wenig oder überhaupt keine Luft durch die Auslaßleitung 36 abgelassen zu werden und deshalb kann das Ventil 34 geschlossen bleiben oder entfallen, oder es kann nach Bedarf für nur sehr kleine Luftabzweigungen benützt werden.

Bei dem vorliegenden Verfahren wird sämtliche oder jedenfalls im wesentlichen sämtliche verdichtete Luft aus der Leitung 32 durch eine Leitung 38 zu einer Reihe von Kühlern 40 geleitet, wo die Temperatur der Luft in geeigneter indirekter Weise verringert wird. Ein Teil der so gekühlten Luft wird durch eine Leitung 42 zu einer Hilfsverdichtereinheit 44 geleitet. Der verbleibende Teil der gekühlten Luft wird durch eine Leitung 62 zur Expansionseinheit der Gasturbine geleitet, wo sie dazu benutzt wird, die Turbinenbauteile auf Betriebstemperaturen unterhalb der Temperaturen der einströmenden Verbrennungsproduktgase zu halten. Die verdichtete Luft aus der Hilfsverdichtereinheit 44 wird durch eine Leitung 46 und durch den Wärmetauscher 30 geleitet, wo sie durch indirekten Wärmeaustausch mit der Luft aus der Leitung 28 erwärmt wird, und wird dann durch eine Leitung 48 in den Vergaser 4 zur Vergasung des aus dem Beschickungskanal 2 kommenden festen Brennstoffs geleitet.

Der nicht in die Leitung 28 abgezweigte Teil der Luft aus der Leitung 26 gelangt durch eine Leitung 50 zur Brenneinrichtung 12. Gewünschtenfalls kann durch eine Leitung 52 auch etwas Wasser in die Brenneinrichtung 12 eingeleitet werden, um den Stickoxidgehalt der darin entstehenden Verbrennungsgase zu verringern. Die so erhaltenen Verbrennungsgase gelangen durch eine Leitung 54 zur Expansionseinheit 56, die mit der Verdichtereinheit 24 und mit einem Generator 58 gekuppelt ist.

Die entspannten Verbrennungsgase aus der Expansionseinheit 56 werden durch eine Leitung 60 abgeführt und zu einer Kesseleinheit 64 geleitet, um Dampf zu erzeugen, der durch eine Leitung 66 zu einer Dampfturbine 68 geleitet wird.

Damit eine Abzapfung von Luft durch die Leitung 36 verringert werden oder im wesentlichen entfallen kann, wird die durch eine Leitung 70 in die Anlage eintretende Luft vorgewärmt, um ihre Absoluttemperatur um etwa 5 bis 30 Prozent, im allgemeinen um etwa 8 bis 20 Prozent anzuheben, bevor die Luft in die Leitung 22 und durch die Verdichtereinheit 24 gelangt. Dies erfolgt auf irgendeine geeignete Weise, wobei nach der dargestellten bevorzugten Ausführungsform die Luft aus der Leitung 70 direkt oder indirekt mittels der Abgase aus der Anlage erwärmt wird. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 erfolgt dies dadurch, daß die heißen Abgase durch eine Leitung 72 in einem Mischer 74 in direkte Berührung mit der einströmenden Luft aus der Leitung 70 gebracht werden. Durch eine nicht dargestellte Einrichtung wird ein Teil der Abgase mit der einströmenden Luft vermischt, um ein Gasgemisch mit der gewünschten Temperatur der in die Verdichtereinheit 24 eintretenden Luft zu erhalten, das außerdem genügend Luftsauerstoff für die Verbrennung in der Brenneinrichtung 12 enthält. Das erwärmte Gemisch wird zur Verdichtereinheit 24 geleitet, während der Rest der Abgase durch eine Leitung 76 aus der Anlage abgeführt wird.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 werden die Abgase in einem Wärmetauscher 78 in indirekte Berührung mit der einströmenden Luft aus der Leitung 70 gebracht, um diese auf den gewünschten Temperaturpegel zu erwärmen.

Die Zahlen in der nachstehenden Tafel I zeigen die unerwarteten Vorteile, die durch das Anheben der Absoluttemperatur der in die Anlage eintretenden Luft erreicht werden. Der zur Gewinnung des heizwertarmen Brenngases (Heizwert etwa 4.200 kJ/m³) verwendete Brennstoff war Torf mit einem niedrigen Heizwert von 12.000 kJ/kg und ergab ein Brenngas mit einem Heizwert von etwa 4.050 kJ/kg. Der Betrieb erfolgte im einen Fall ohne Vorwärmung der Eintrittsluft und mit Luftanzapfung, während im anderen Fall die Luft durch Beimischung heißer entspannter Abgase und im wesentlichen ohne Luftanzapfung erfolgte. In der Tafel I sind die Zahlen für Druck, Temperatur, Brennwert des Gasgemisches und Massendurchsatz jeweils für die in Fig. 1 dargestellten Leitungen angegeben.

Tafel I

Die oben erhaltenen Daten sind höchst ungewöhnlich. Im ersten Fall, in welchem die Luft nicht vorgewärmt wird und mit etwa 15°C in die Verdichtereinheit eintritt, werden etwa 17,5% der Luft aus der Anlage abgezweigt, um Pumpschwingungen in der Verdichtereinheit zu vermeiden. Dies bestimmt sich durch Vergleich der Menge von durch die Leitung 36 aus der Anlage abgelassener Luft (98,19 Mg/h) mit der Menge der durch die Leitung 22 in die Anlage eingeleiteten Luft (562,72 Mg/h).

Im zweiten Fall wird die Temperatur der eintretenden Luft jedoch von 15°C auf 75°C angehoben, was einer Anhebung der Absoluttemperatur um nahezu 21% entspricht. In diesem Fall wird keine nennenswerte Luftmenge durch die Leitung 36 aus der Anlage abelassen (35,94 Mg/h). Die in die Anlage eintretende Luftmenge verringert sich von 562,72 Mg/h auf 465,20 Mg/h, also eine Verringerung von etwas mehr als 17%. Außerdem wird die Menge des durch die Leitung 6 in die Anlage eintretenden gasförmigen Brennstoffs von 95,67 Mg/h auf 81,63 Mg/h verringert, also eine Verringerung von nahezu 15%. Aber trotzdem sind überraschenderweise die Drücke, Temperaturen und Massendurchsätze der die Brenneinrichtung 12 verlassenden Verbrennungsgase in der Leitung 54 im wesentlichen die gleichen wie im ersten Falle ohne Luftvorwärmung.

Infolgedessen wird der Wirkungsgrad der Anlage bei Verwendung heizwertarmen Brennstoffs durch die entsprechende Anhebung der Absoluttemperatur der in der Anlage eintretenden Luft vergrößert. Demzufolge sind weniger Luft und weniger Brennstoff erforderlich, während die Leistungsabgabe die gleiche bleibt und ein Ablassen von Luft aus der Anlage zur Pumpschwingungsverhütung in der Verdichtereinheit mit dem damit zusammenhängenden Energieverlust ist nicht erforderlich.

Claims

1. Verfahren zum Betrieb einer Gasturbinenanlage, die eine Verdichtereinheit, eine Brenneinrichtung und eine einen Generator antreibenden Expansionseinheit aufweist, mit heizwertarmem gasförmigem Brennstoff, der in einem Vergaser erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die der Verdichtereinheit zugeführte Luft zur Anhebung ihrer Absoluttemperatur um etwa 5 bis 30% unter Verwendung der entspannten heißen Verbrennungsgase aus der Expansionseinheit über die Umgebungstemperatur vorgewärmt wird, und daß die heißen Verbrennungsgase zuvor durch einen Dampfkessel geleitet werden, und daß ein erster Teil der Luft aus der Verdichtereinheit der Brenneinrichtung zugeführt und ein zweiter Teil der verdichteten Luft zum Vergaser geleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absoluttemperatur der zur Verdichtereinheit zugeführten Luft um etwa 8 bis 20% gegenüber der Umgebungstemperatur angehoben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der Verdichtereinheit zugeführte Luft durch indirekten Wärmeaustausch mit den heißen entspannten Verbrennungsgasen aus der Expansionseinheit vorgewärmt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergaser mit einem festen Brennstoff beschickt wird, um einen gasförmigen Brennstoff mit niedrigem Heizwert zu erzeugen, und daß der gasförmige Brennstoff der Brenneinrichtung zugeführt wird, um mit dem genannten ersten Teil der aus der Verdichtereinheit kommenden Luft zur Erzeugung der genannten heißen Abgase zu reagieren.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Brennstoff Torf ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte zweite Teil der von der Verdichtereinheit kommenden Luft vor seinem Eintritt in den Vergaser durch eine Hilfsverdichtereinheit gelangt.