SPÜLEN DER ABGASREZIRKULATIONSLEITUNGEN EINER GASTURBINE

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Spülen einer Abgasrezirkulationsleitung einer Gasturbine mit Abgasrezirkulation. Sie betrifft ein Verfahren zum Spülen der Abgasrezirkulationsleitung sowie eine Gasturbine zur Durchführung des Verfahrens.

STAND DER TECHNIK Um die Leistungsverluste und Wirkungsgradverluste von Gasturbinen und Kombi- Kraftwerken mit Kohlendioxid-Abscheidung zu reduzieren, sind in der Literatur verschiedene Möglichkeiten, den Kohlendioxid-Partialdruck vor der Abscheidung zu erhöhen, vorgeschlagen worden. Die Abgasrezirkulation ist eine Technologie, welche für unterschiedliche Zwecke bei Gasturbinen eingesetzt werden kann. So kann sie beispielsweise für die Kontrolle der NOx- Emission durch die Bereitstellung eines Ansauggasses mit reduzierter Reaktivität, das heisst üblicherweise mit gegenüber Frischluft reduziertem Sauerstoffgehalt, oder für die Reduktion des Abgasvolumens für die Kohlendioxid-Abscheidung eingesetzt werden. Bei der Abgasrezirkulation in einer Gasturbine wird ein wesentlicher Anteil des Abgases aus dem gesamten

Abgasstrom abgezweigt und wird, typischerweise nach Kühlung und falls erforderlich nach Reinigung, dem Ansaugmassenstrom der Turbine respektive des Verdichters der Gasturbine wieder zugeführt. Dazu wird der rezirkulierte

Abgasstrom mit frischer Luft vermischt und diese Mischung anschließend dem Verdichter zugeführt. Ein entsprechendes Kraftwerk mit einer Gasturbine und Abgasrezirkulation ist beispielsweise aus der WO2010/072710 bekannt.

In einem HRSG (Heat recovery steam generator oder Abwärmekessel) und Abgasleitungen stromab der Gasturbine können sich beim Abschalten der Anlage Brennstoffreste sammeln. Diese Brennstoffreste werden durch eine sogenannte Kesselspülung vor einen Neustart der Anlage aus den betreffenden Volumina entfernt. Diese Sicherheitsmassnahme bezweckt, die Abgasleitungen und den HRSG von Restbrennstoffen und explosiven Gasmischungen zu befreien und mögliche Explosionen während des Anfahrens zu vermeiden. Die Kesselspülung erfolgt durch Antreiben des Wellenstrangs durch eine Anfahrvorrichtung bei einer niedrigen Geschwindigkeit und einem niedrigen Massenstrom, wodurch

Restbrennstoffe über den Kamin aus der Anlage getrieben werden.

Bei Gasturbinen mit Abgasrezirkulation können sich bei dem Abschalten der Anlage auch Brennstoffreste in den Abgasrezirkulationsleitungen und

Hilfsanlagen, wie Rückkühler, Wasserabscheider usw. des

Abgasrezirkulationsystems sammeln. Vor einem Neustart, oder bevor diese Leitungen und Hilfsanlagen für eine Inspektion oder Reparatur zugänglich sind, müssen auch diese, z.B. mit Frischluft, gespült werden. Bevorzugt werden die Abgasrezirkulationsleitungen entgegen der

Strömungsrichtung des Normalbetriebs gespült. Somit kann die Spülluft über den normalen Kamin abgeführt werden. Ausserdem wird sicher gestellt, dass evtl. vorhandene Brenngasreste nicht aus dem Kessel in die

Abgasrezirkulationsleitungen gelangen und die Spüldauer nochmals verlängert werden muss oder sogar ein Kreislauf entsteht. In der EP2060772 sind ein System und Verfahren zum Spülen von

Abgasrezirkulationsleitungen vorgeschlagen. Hier werden zur Abgasrezirkulation zusätzliche Klappen und beispielsweise ein zusätzliches Gebläse vorgeschlagen, die es erlauben die Abgasrezirkulationsleitung zu spülen. Die Vielzahl von

Klappen das zusätzliche Gebläse führen zu Mehrkosten und erhöhtem

Energiebedarf während des Spülvorgangs, wodurch die Konkurrenzfähigkeit von derartigen Anlagen mit CO2 Abscheidung beeinträchtigen werden kann.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, dass ein zuverlässiges Spülen der Abgasrezirkulationsleitungen ohne die Verwendung von zusätzlichen Abblasgebläsen erlaubt. Weiter ist eine Gasturbine anzugeben, die geeignet ist ein zuverlässiges Spülen der Abgasrezirkulationsleitungen ohne die Verwendung von zusätzlichen Gebläsen durchzuführen. Dabei soll ausserdem die Anzahl zusätzliche Klappen, Ventile und Rohrleitung minimiert werden.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 15 gelöst. Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Abblasstrom des Verdichters zum Spülen der Abgasrezirkulationsleitung genutzt wird.

Bei dem Betrieb eines Verdichters mit Drehzahlen, die deutlich unter der

Nenndrehzahl liegen (Stillstand bis etwa 20% unter der Nenndrehzahl), z.B. beim Start, beim Abstellen und beim Kesselspülen, muss ein Teil der vom Verdichter angesaugten Luft abgeblasen werden. Dafür wird teilverdichtete Luft über Plena aus dem Verdichter abgelassen und beispielsweise direkt in die Umgebung abgeblasen oder über Leitungen in die Abgasleitung der Gasturbine geführt und über den Kamin abgeblasen. Typischerweise wird eine Gasturbine zum Kesselspülen bei Drehzahlen, die deutlich unter der Nenndrehzahl liegen, betrieben. Dass heisst die Gasturbinen werden in einem Drehzahlbereich betrieben, in dem aus dem Verdichter Luft abgeblasen wird. Dies sind beispielsweise ein Bereich von 20% bis 50% der Nenndrehzahl, wobei bei grossen Gasturbinen die Nenndrehzahl gleich der Netzfrequenz ist. Zum Kesselspülen wird der Generator typischerweise mit Hilfe eines Frequenzumwandlers, typischerweise eine sogenannte SFC (static frequency Converter), als Motor betrieben, der die Gasturbine antreibt.

Je nach Verdichterdesign und Drehzahl wird beim Kesselspülen ein grosser Teil des Verdichteransaugstroms über die Abblasventile abgeblasen. Die

Abblasmenge kann bis zu 60%, in besonderen Fällen sogar mehr, des

Verdichteransaugstroms betragen. Der abzublasende Massenstrom ist

typischerweise proportional zum Verdichterdruckverhältnis des Verdichters bei Volllastbetrieb und der Verdichteransaugstrom proportional zur Drehzahl, bei der abgeblasen wird. Da der Druck in den Plena des Verdichters über dem

Umgebungsdruck liegt, kann dieser Massenstrom kann ganz oder Teilweise zum Spülen der Abgasrezirkulationsleitungen genutzt werden. Dafür ist mindestens eine Verbindungsleitung mit einem Regelelement von einem Verdichterplenum zu der Abgasrezirkulationsleitung vorgesehen.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Abblasluft in einen Endbereich der Abgasrezirkulationsleitung eingeführt und an einem anderen Ende der

Abgasrezirkulationsleitung ausgeleitet. Aus praktischen Gründen kann es schwierig sein, die Abblasluft direkt in das Ende der Abgasrezirkulationsleitung einzuleiten. Eine Einleitung im Endbereich, d.h. typischerweise in einen Abschnitt der maximal 10 bis 20% von dem einem Ende der Leitung entfernt ist, ist bevorzugt, um grössere Todräume am Ende einer Leitung zu vermeiden und eine klar definierte Strömungsrichtung sicher zu stellen.

In einer Ausgestaltung wird die Abblasluft an einem zweiten Ende der

Abgasrezirkulationsleitung, welches in die Ansaugleitung des Verdichters der Gasturbine mündet, eingeleitet. Von dort strömt die Abblasluft entgegen der Richtung der Rezirkulationsströmung im Normalbetrieb der Gasturbine durch die Abgasrezirkulationsleitung und wird an einem ersten Ende der

Abgasrezirkulationsleitung ausgeleitet. Das erste Ende der

Abgasrezirkulationsleitung ist das Ende, an dem die Abgasrezirkulationsleitung mit einer Abgasleitung der Gasturbine verbunden ist. Diese Verbindung ist

beispielsweise mit einem Regelorgan, wie einer Regelklappe kombiniert.

Beim Spülen wird nach Durchströmen der Abgasrezirkulationsleitung die

Abblasluft von dem ersten Ende der Abgasrezirkulationsleitung direkt oder indirekt in den Kamin geleitet.

Die Strömung der Abblasluft aus der Rezirkulationsleitung in den

Verdichteransaugstrom des Verdichters wird durch ein Regelelement, das zwischen dem Ort, an dem die Abblasluft in die Abgasrezirkulationsleitung und einem zweiten Ende der Abgasrezirkulationsleitung angeordnet ist, geregelt. Dies Regelelement ist typischerweise eine Klappe oder ein Ventil.

Dieses Regelelement erlaubt ausserdem das Verhältnis der Abblasluft, die zu dem zweiten Ende der Abgasrezirkulationsleitung fliesst und der Abblasluft, die zu dem ersten Ende der Abgasrezirkulationsleitung fliesst, einzustellen. Beispielsweise wird für kurze Zeit Abblasluft durch das zweite Ende der

Abgasrezirkulationsleitung in die Verdichtereintrittsleitung gespült und danach die Abgasrezirkulationsleitung in Richtung des ersten Endes gespült. Als kurze Zeit ist hierbei ein Zeitraum von einigen Sekunden bis wenigen Minuten zu verstehen. Typischerweise etwa ein Zehntel bis ein Fünftel der Kesselspülzeit. In einer weiteren Ausführungsform wird ein erster Teil der Abblasluft zum Spülen in die Abgasrezirkulationsleitung eingeleitet wird und ein zweiter Teil der Abblasluft über eine Abblasleitung den Abgasleitungen und typischerweise dem HRSG zugeführt.

In noch einer weiteren Ausführung wird Abblasluft aus einer ersten Abblasstelle des Verdichters zum Spülen in die Abgasrezirkulationsleitung eingeleitet und Abblasluft aus einer zweiten Abblasstelle des Verdichters über eine Abblasleitung den Abgasleitungen und damit typischerweise dem HRSG zugeführt.

Neben dem Verfahren ist eine Gasturbine mit Rezirkulation, die ein Spülen der Abgasrezirkulationsleitung durch Verdichterabblasluft erlaubt, Gegenstand der Erfindung. Eine erfindungsgemässe Gasturbine mit einer Abgasrezirkulationsleitung, die eine Abgasleitung der Gasturbine mit der Verdichteransaugleitung zur Rezirkulation von Abgasen in den Verdichteransaugstrom verbindet, weisst mindestens eine Spülleitung auf, die eine Verdichterabblasstelle mit der Abgasrezirkulationsleitung verbindet.

Typischerweise ist in dieser Spülleitung ein Spülventil zur Regelung des

Spülmassenstromes vorgesehen. Dies erlaubt den Abblasstrom, mit dem die Abgasrezirkulationsleitung durch Abblasluft gespült wird zu regeln. Dies Spülventil kann in Reihe mit herkömmlichen Abblasventilen angeordnet sein oder diese ersetzen und deren Funktion, das heisst das Schliessen der Abblasung bei Normalbetrieb der Gasturbine und das Öffnen zum Start- und Abstellen der Gasturbine übernehmen.

Weiter kann eine Abblasleitung die Verdichterabblasstelle, an die die Spülleitung angeschlossen ist, mit der Abgasleitung der Gasturbine verbinden. Dies erlaubt einen Teil der Abblasluft zum Rückspülen der Abgasrezirkulationsleitung zu nutzen und den anderen Teil durch die Abblasleitung in die Abgasleitung zu führen. Weiter kann damit bei einem Abstellen der Gasturbine oder bei einem Schnellabschalten (Trip) verhindert werden, dass Gase unter hohem Druck und Temperatur aus dem Verdichter in die Abgasrezirkulationsleitungen gelangen. In diesem Fall bleibt das Spülventil geschlossen und das Abblasventil wird wie bei einer herkömmlichen Gasturbine beim Abschalten geöffnet. Auch während des Starts kann es Vorteilhaft sein, das Spülventil nach dem Spülen zu schliessen und die Abblasluft während des Hochfahrens nur über die Abblasleitung abzublasen. Um die Abblasung separat zu Regeln ist in einer Ausführung ein Abblasventil in der Abblasleitung angeordnet.

In einer Weiteren Ausführung ist mindestens eine zweite Abblasleitung von einer zweiten Verdichterabblasstelle vorgesehen, die diese mit der Abgasleitung der Gasturbine verbindet. Typischerweise ist in der Abgasrezirkulationsleitung einer Gasturbine mit

Abgasrezirkulation ein Rezirkulationsgebläse vorgesehen, das die Rezirkulation der Abgase in den Verdichteransaugstrom unterstützt. Während des Spülvorgangs ist die Strömungsrichtung entgegengesetzt der des Normalbetriebs und das Rezirkulationsgebläse führt zu einem erhöhten Druckgefälle. Um dies zusätzliche Druckgefälle zu vermeiden, wird das Rezirkulationsgebläse in einer

Ausführungsform über eine Kupplung mit seinem Antrieb verbunden. Diese Kupplung erlaubt es, das Rezirkulationsgebläse während des Spülvorgangs abzukuppeln, so dass es entgegen seiner normalen Drehrichtung frei laufen kann und somit sein Druckverlust reduziert wird.

In einer weiteren Ausführung ist das Rezirkulationsgebläse mit verstellbaren Leit- und/ oder Laufschaufeln ausgeführt. Diese können geöffnet werden, um den Strömungswiderstand zu reduzieren. Alternativ können sie so umgestellt werden, dass das Rezirkulationsgebläse entgegen seiner normalen Strömungsrichtung arbeitet und das Spülen unterstützt. Typischerweise sind grosse Rezirkulationsgebläse durch einen regelbaren Motor angetrieben. In einer weiteren alternativen Ausführung erlaubt es die Regelung, den Motor entgegen seiner normalen Drehrichtung anzutreiben, so dass das Rezirkulationsgebläse während des Spülens einen reduzierten

Strömungswiderstand bietet oder das Spülen unterstützt.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Spülvorgang durch das Rezirkulationsgebläse durchgeführt wird. Zum Spülen der Abgasrezirkulationsleitung werden die verstellbaren Leit- und/ oder Laufschaufeln so umgestellt werden, dass das Rezirkulationsgebläse entgegen seiner normalen Strömungsrichtung arbeitet und damit die Abgasrezirkulationsleitungen entgegen der normalen Strömungsrichtung mit Luft, die aus der Ansaugleitung des

Verdichters abgezweigt wird, spült. Alternativ kann der Motor des

Rezirkulationsgebläse geregelt entgegen seiner normalen Drehrichtung angetrieben werden, so dass die Abgasrezirkulationsleitungen entgegen der normalen Strömungsrichtung mit Luft, die aus der Ansaugleitung des Verdichters abgezweigt wird, gespült wird. Für diese Ausführungen kann auf die Spülleitung und Abblasung von dem Verdichter in die Abgasrezirkulationsleitung verzichtet werden.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im

Zusammenhang mit schematischen Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine Gasturbine mit HRSG und Abgasrezirkulation, Abblasleitung in die Abgasrezirkulationsleitung zum Spülen der Abgasrezirkulationsleitungen,

Fig. 2 eine Gasturbine mit HRSG und Abgasrezirkulation, Abblasleitung in die Abgasrezirkulationsleitung zum Spülen der Abgasrezirkulationsleitungen sowie einer Abblasleitung zum HRSG.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Eine Gasturbine mit HRSG und Abgasrezirkulation ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Weiter sind die Leitungen und Stellorgane für ein Abblasen von Verdichterluft in die Abgasrezirkulationsleitung zum Spülen dieser Leitung dargestellt.

Die Gasturbine umfasst einen Verdichter 2 (Kompressor), eine Brennkammer 3 und eine Turbine 4. Die im Verdichter 2 verdichtete Verbrennungsluft wird der Brennkammer 3 zugeführt dort verbrannt und anschliessend werden die heissen Verbrennungsgase in der Turbine 4 entspannt. Die in der Turbine erzeugte Nutzenergie wird zum Beispiel mit einem auf der gleichen Welle angeordneten Generator 5 in elektrische Energie umgewandelt. Die aus der Turbine 4 austretenden Abgase werden zur optimalen Nutzung der darin noch enthaltenen Energie in einem HRSG 23 (Heat recovery steam generator) oder Abhitzedampferzeuger dazu verwendet, Dampf für eine

Dampfturbine oder für andere Anlagen zu erzeugen.

Ein Verdichteransaugstrom 1 für den Verdichter 2 wird typischerweise über einen Zuströmkanal zugeführt. Frische Ansaugluft wird dabei zunächst über einen am Eintritt angeordneten Luftfilter geführt. Stromab dieses Luftfilters können

Schalldämpfer im Führungskanal des Verdichteransaugstroms 1 angeordnet sein. Die Luftzuführung mit Filter und Schalldämpfer wird im weiteren vereinfachend als Verdichteransaugleitung bezeichnet.

Ein Teil der Abgase wird bei einer solchen Anlage hinter dem HRSG 23 in einem Strömungsteiler 1 1 , welcher geregelt sein kann, in ein erstes Ende 16 einer Abgasrezirkulationsleitung 8 eingeleitet und wird über diese

Abgasrezirkulationsleitung 8 in den Verdichteransaugstrom 1 rezirkuliert. Dafür strömen die rezirkulierten Abgase aus einem zweiten Ende 17 der

Abgasrezirkulationsleitung 8 in den Verdichteransaugstrom 1 , werden mit der frischen Ansaugluft vermischt und werden so zur Ansaugseite des Verdichters 2 zurückgeführt. Der nicht abgezweigte Teil der Abgase wird typischerweise zu einer Kohlendioxid- Abscheidungseinheit geführt oder über ein Kamin 12 an die Umwelt abgegeben.

Der rezirkulierte Abgasstrom wird in einem Abgasrückkühler 13 oder

Wärmetauscher, welcher mit Kondensator ausgestattet sein kann, auf etwas über Umgebungstemperatur abgekühlt. Stromab dieses Abgasrückkühler 13 kann ein Rezirkulationsgebläse 9 angeordnet sein, das beispielsweise über eine Kupplung 24 von einem Antrieb 25 angetrieben wird. Der Antrieb ist typischerweise ein elektrischer Motor.

Im Normalbetrieb wird vor dem Verdichter 2 die Ansaugluft mit rezirkulierten Abgasen vermischt. Dabei sind im Normalbetrieb erstes Abblasventil 6 und Spülventil 7 geschlossen. Weiter ist ein Regelelement 10, mit welchem der Austritt der Abgasrezirkulationsleitung 8 in die Verdichteransaugleitung geschlossen werden kann, geöffnet. Um ein Spülen der Abgasrezirkulationsleitung 8 zu ermöglichen, ist eine

Spülleitung 20 von einer Abblasstelle des Verdichters 2 zu dem zweiten Ende 17 der Abgasrezirkulationsleitung 8 vorgesehen. Es führt nicht unmittelbar in das zweite Ende der Abgasrezirkulationsleitung 8 sondern wird durch das

Regelelement 10 von der Verdichteransaugleitung getrennt. Zur Regelung des Spülstroms selber ist ein Spülventil 7 vorgesehen. Ein Abblasen in die

Abgasleitung 21 der Gasturbine14 ist durch eine erste Abblasleitung 18 möglich. Zur Regelung der Abblasung in die Abgasleitung 21 ist ein erstes Abblasventil 6 vorgesehen. Zum Spülen wird die Gasturbine 14 auf Spüldrehzahl gebracht. Dazu wird sie typischerweise mit dem als Motor betriebenen Generator 5 angetrieben. Zum Spülen der Abgasrezirkulationsleitung 8 wird das Spülventil 7 geöffnet. Über das Spülventil 7 wird die Abblasluft aus dem Verdichter 2 durch die

Abgasrezirkulationsleitung 8 in den Kamin 12 geblasen und damit die

Abgasrezirkulationsleitungen 8 gespült. Das Regelelement 10 wird zumindest für einen Teil der Spüldauer geschlossen, um sicherzustellen, dass die Abblasluft nicht in den Verdichteransaugstrom fliessen kann.

Das erste Abblasventil 6 erlaubt eine Aufteilung des Abblasstroms in einen Teil, mit dem die Abgasrezirkulationsleitung gespült wird, und in einen Teil, der der Abgasleitung 21 zugeführt wird. Weiter erlaubt das erste Abblasventil 6 z.B. bei einem Trip der Anlage grosse Mengen heisser Luft abzublasen. Falls eine

Abblasung über die Abgasrezirkulationsleitung 8 vorgesehen ist, muss diese für entsprechend heisse Luft ausgelegt sein.

Je nach Volumen der Abgasrezirkulationsleitung 8 und den Abblasluftmengen wird nur ein Teil der Abblasluft zum Spülen der Abgasrezirkulationsleitung 8 benötigt. Beispielsweise wird die Luft aus einem ersten Plenum, z.B. nach dem Niederdruckteil eines Verdichters 2, zum Spülen der Abgasrezirkulationsleitung 8 verwendet. Die Luft aus einem zweiten Plenum, z.B. nach dem Mitteldruckteil eines Verdichters 2, wird hingegen über ein zweites Abblasventil 15 und eine zweite Abblasleitung 19 direkt der Abgasleitung 21 der Gasturbine 14

zurückgeführt. Eine entsprechende Anlage ist in Fig. 2 schematisch dargestellt.

Alle erläuterten Vorteile sind nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann anstelle der

Verwendung von Abblasluft aus einer Abblasstelle, wie in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, die Abblasluft von mehreren Abblasstellen des Verdichters 2 zusammengeführt werden und zum Spülen der Abgasrezirkulationsleitung 8 verwendet werden. Vereinfachend ist die Regelung von Ventilen oder Klappen beschrieben. Diese Regelung steht stellvertretend für eine Regelung oder eine Steuerung. Dem

Fachmann sind weiterhin die verschieden geeigneten Regelelemente bekannt, wie beispielsweise Klappen oder Ventile. Eine Abblasstelle des Verdichters ist typischerweise eine Stelle, an der auch Kühlluft für die Turbinen und/ oder Brennkammerkühlung aus dem Verdichter entnommen wird. Die Spülleitung 20 muss nicht direkt von dem Verdichter abgehen sondern kann von einer herkömmlichen Abblasleitung oder

Kühlluftleitung abgezweigt sein. Die Beispiele zeigen eine Gasturbine 14 mit einfacher Brennkammer. Die Erfindung ist entsprechend für Gasturbinen mit Sequentieller Verbrennung, wie sie beispielsweise aus der EP0718470 bekannt sind, anwendbar. BEZUGSZEICHENLISTE

1 Verdichteransaugstrom

2 Verdichter

3 Brennkammer

4 Turbine

5 Generator

6 erstes Abblasventil

7 Spülventil

8 Abgasrezirkulationsleitung

9 Rezirkulationsgebläse

10 Regelelement

1 1 Strömungsteiler

12 Kamin/ Leitung zur CO2 Abscheidung

13 Abgasrückkühler

14 Gasturbine

15 zweites Abblasventil

16 erstes Ende

17 zweites Ende

18 erste Abblasleitung

19 zweite Abblasleitung

20 Spülleitung

21 , 22 Abgasleitung

23 HRSG

24 Kupplung

25 Antrieb