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BESCHREIBUNG

VERFAHREN ZUM BETRIEB EINER GASTURBINE SOWIE GASTURBINE ZUR

DURCHFüHRUNG DES VERFAHRENS

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Kraftwerkstechnik. Sie betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer (stationären) Gasturbine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , sowie eine Gasturbine zur Durchführung des Verfahrens.

STAND DER TECHNIK

Es ist eine Gasturbine mit Zwischenüberhitzung (reheat gas turbine) bekannt (siehe z.B. die US-A-5,577,378 oder „State-of-the-art gas turbines - a brief update", ABB Review 02/1997, Fig. 15, Turbinentyp GT26), die einen flexiblen Betrieb mit sehr niedrigen Abgasemissionswerten kombiniert.

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Das Prinzip der bekannten Gasturbine mit Zwischenüberhitzung ist in Fig. 1 wiedergegeben. Die Gasturbine 11 , die Teil eines Kombikraftwerkes 10 ist, umfasst auf einer gemeinsamen Welle 15 angeordnet zwei hintereinander geschaltete Verdichter, nämlich einen Niederdruckverdichter 13 und einen Hochdruckverdichter 14, sowie zwei Brennkammern, nämlich eine

Hochdruckbrennkammer 18 und eine Zwischenüberhitzungsbrennkammer19, und zugehörige Turbinen, nämlich eine Hochdruckturbine 16 und eine Niederdruckturbine 17. Die Welle 15 treibt einen Generator 12 an.

Die Arbeitsweise der Anlage ist die folgende: Luft wird über einen Lufteinlass 20 vom Niederdruckverdichter 13 angesaugt und zunächst auf ein Zwischendruckniveau (ca. 20 bar) verdichtet. Der Hochdruckverdichter 14 verdichtet die Luft dann weiter auf ein Hochdruckniveau (ca. 32 bar). Kühlluft wird sowohl auf dem Zwischendruckniveau als auch auf dem Hochdruckniveau abgezweigt und in zugehörigen OTC-Kühlem (OTC = Once Through Cooler) 23 und 24 abgekühlt und über Kühlleitungen 25 und 26 zur Kühlung an die Brennkammern 18, 19 und Turbinen 16, 17 weitergeleitet. Die verbleibende Luft aus dem Hochdruckverdichter 14 wird zur Hochdruckbrennkammer 18 geführt und dort durch Verbrennung eines über die Brennstoffzufuhr 21 zugeführten Brennstoffs aufgeheizt. Das entstehende Abgas wird dann in der nachfolgenden Hochdruckturbine 16 unter Arbeitsleistung auf ein mittleres Druckniveau entspannt. Nach der Entspannung wird das Abgas in der Zwischenüberhitzungsbrennkammer 19 durch Verbrennung eines über die Brennstoffzufuhr 22 zugeführten Brennstoffs wieder erhitzt, bevor es in der nachfolgenden Niederdruckturbine 17 unter weiterer Arbeitsleistung entspannt wird.

Die durch die Kühlleitungen 25, 26 strömende Kühlluft wird an geeigneten Stellen der Brennkammern 18, 19 und Turbinen 16, 17 eingedüst, um die Materialtemperaturen auf ein vertretbares Mass zu begrenzen. Das aus der

Niederdruckturbine 17 kommende Abgas wird durch einen Abhitzedampferzeuger 27 (HRSG = Heat Recovery Steam Generator) geschickt, um Dampf zu erzeugen,

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der innerhalb eines Wasser-Dampf-Kreislaufs durch eine Dampfturbine 29 strömt und dort weitere Arbeit leistet. Nach dem Durchströmen des Abhitzedampferzeugers 27 wird das Abgas schliesslich durch eine Abgasleitung 28 nach aussen abgegeben. Die OTC-Kühler 23, 24 sind Teil des Wasser-Dampf- Kreislaufs; an ihren Ausgängen wird überhitzter Dampf erzeugt.

Durch die beiden voneinander unabhängigen, aufeinanderfolgenden Verbrennungen in den Brennkammern 18 und 19 wird eine grosse Flexibilität im Betrieb erreicht; die Brennkammertemperaturen können so eingestellt werden, dass innerhalb der bestehenden Grenzen der maximale Wirkungsrad erreicht wird. Die niedrigen Abgaswerte des sequentiellen Verbrennungssystems sind durch die inhärent niedrigen Emissionswerte gegeben, die bei der Zwischenüberhitzung erreichbar sind.

Es sind andererseits Kombikraftwerke mit einstufiger Verbrennung in den

Gasturbinen bekannt (siehe z.B. die US-A-4,785,622 oder US-B2-6,513,317), in denen eine Kohlevergasungsanlage integriert ist, um den für die Gasturbine benötigten Brennstoff in Form von aus Kohle gewonnenem Syngas bereitzustellen. Solche Kombikraftwerke werden als IGCC-Anlagen (IGCC = Integrated Gasification Combined Cycle) bezeichnet.

Die vorliegende Erfindung geht nun von der Erkenntnis aus, dass durch den Einsatz von Gasturbinen mit Zwischenüberhitzung in einer IGCC-Anlage die Vorteile dieses Gasturbinentyps für die Anlage in besonderer Weise nutzbar gemacht werden können.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer mit einer Vergasungsanlage für fossile Brennstoffe, insbesondere Kohle, zusammenarbeitenden Gasturbine anzugeben, welches sich durch einen

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verbesserten Wirkungsgrad auszeichnet und sich mit vorhandenen Komponenten besonders günstig realisieren lässt, sowie eine Gasturbine zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 10 gelöst. Wesentlich ist, dass in einer mit Syngas arbeitenden Gasturbinenanlage eine Gasturbine mit Zwischenüberhitzung verwendet wird, welche zwei Brennkammern und zwei Turbinen umfasst, wobei in der ersten Brennkammer Syngas unter Einsatz der verdichteten Luft verbrannt und die entstehenden heissen Gase in der ersten Turbine entspannt werden, und wobei in der zweiten Brennkammer Syngas unter Einsatz der aus der ersten Turbine kommenden Abgase verbrannt und die entstehenden heissen Gase in der zweiten Turbine entspannt werden.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des bei der Luftzerlegung entstehenden Stickstoffs zur Verdünnung des in der zweiten Brennkammer verbrannten Syngases verwendet wird, wobei insbesondere 80-100% des bei der Luftzerlegung entstehenden Stickstoffs zur Verdünnung des in der zweiten Brennkammer verbrannten Syngases verwendet werden.

Der bei der Luftzerlegung entstehende Stickstoff wird dabei vorzugsweise direkt, d.h. ohne weitere Verdichtung, in die zweite Brennkammer eingedüst.

Der verbleibende Teil des bei der Luftzerlegung entstehenden Stickstoffs wird vorzugsweise zur Verdünnung des in der ersten Brennkammer verbrannten Syngases verwendet, wobei insbesondere der für die erste Brennkammer vorgesehene Stickstoff vor dem Eindüsen in die Brennkammer zunächst in einem Verdichter auf einen höheren Druck verdichtet wird.

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Gemäss einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird ein Teil des in der Vergasungsanlage erzeugten Syngases ohne weitere Verdichtung in die zweite Brennkammer eingedüst.

Eine weitere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Teil des in der Vergasungsanlage erzeugten Syngases zunächst in einem Verdichter auf einen höheren Druck verdichtet und dann in die erste Brennkammer eingedüst wird.

Vorzugsweise werden das Syngas und der zur Verdünnung vorgesehene Stickstoff in konzentrischer Anordnung in die Brennkammern eingedüst, wobei der Stickstoffstrahl den Syngasstrahl mantelförmig umschliesst, und die Eindüsung senkrecht zur Richtung der in die Brennkammern einströmenden verdichteten Luft bzw. Abluft aus der ersten Turbine erfolgt.

Eine Ausgestaltung der erfindungsgemässen Gasturbine ist dadurch gekennzeichnet, dass in der Stickstoffleitung zwischen dem Ausgang der Luftzerlegungsanlage und der ersten Brennkammer ein Verdichter zur Verdichtung des Stickstoffs angeordnet ist.

Gemäss einer anderen Ausgestaltung ist in der Syngaszuleitung zwischen dem Ausgang der Anlage zur Erzeugung von Syngas und der ersten Brennkammer ein Verdichter zur Verdichtung des Syngases angeordnet ist.

Bevorzugt sind in der ersten und/oder zweiten Brennkammer dabei Brennstoffdüsen vorgesehen, durch welche in konzentrischer Anordnung innen das Syngas und mantelförmig umgebend aussen der Stickstoff quer zur Strömungsrichtung der verdichteten Luft bzw. der Abluft aus der ersten Turbine in die Brennkammer einströmt.

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KURZE ERLäUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 das vereinfachte Schema eines Kombikraftwerks mit einer

Gasturbine mit Zwischenüberhitzung bzw. sequentieller

Verbrennung nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 das vereinfachte Schema einer IGCC-Anlage mit einer Gasturbine mit Zwischenüberhitzung bzw. sequentieller Verbrennung, wie sie zur Verwirklichung der Erfindung geeignet ist;

Fig. 3 ein Diagramm der NOx-Emission in Abhängigkeit von der Stickstoffverdünnung (SD) des Brennstoffs für eine Gasturbine mit

(Kurve C) und ohne (Kurve A) Zwischenüberhitzung;

Fig. 4 ein Diagramm des zulässigen Bereiches der Flammentemperatur in Abhängigkeit von der Brennstoffreaktivität (FR) für eine Gasturbine ohne (Kurve F) und mit (Kurve D)

Zwischenüberhitzung bzw. sequentieller Verbrennung;

Fig. 5 ein stark vereinfachtes Schema des Zusammenwirkens einer

Gasturbine mit Zwischenüberhitzung mit einer Luftzerleg ungs- und Syngaserzeugungsanlage unter Bezugnahme auf die erforderlichen Druckniveaus;

Fig. 6 eine diagrammatische Darstellung der Aufteilung der

Massenströme von Syngas und verdünnendem Stickstoff auf die beiden Brennkammern der Gasturbine mit Zwischenüberhitzung; und

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Fig. 7 eine vereinfachte Darstellung der im Rahmen der Erfindung bevorzugten Eindüsungskonfiguration für das Syngas und den Stickstoff.

WEGE ZUR AUSFüHRUNG DER ERFINDUNG

In der Fig. 2 ist in einem stark vereinfachten Schema eine IGCC-Anlage mit einer Gasturbine mit Zwischenüberhitzung bzw. sequentieller Verbrennung gezeigt, wie sie im Rahmen der Erfindung beispielhaft ausgebildet sein kann. Das

Kombikraftwerk 30 umfasst eine Gasturbine 11 mit einem Niederdruckverdichter 13, einem nachfolgenden Hochdruckverdichter 14, einer Hochdruckbrennkammer 18 mit einer nachfolgenden Hochdruckturbine 16 und einer Zwischenüberhitzungsbrennkammer 19 mit einer nachfolgenden Niederdruckturbine 17. Die Verdichter 13, 14 und die Turbinen 16, 17 sitzen auf einer gemeinsamen Welle 15, von der ein Generator 12 angetrieben wird. Die Brennkammern 18 und 19 werden über eine Syngaszuleitung 31 mit Syngas (H ₂ , CO) als Brennstoff versorgt, welches durch Vergasung von Kohle (Kohlezufuhr 33) in einer Kohlevergasungsanlage 34 erzeugt wird (es können auch andere fossile Brennstoffe vergast werden). Der Kohlevergasungsanlage 34 ist eine

Kühlvorrichtung 35 für das Syngas, eine Reinigungsanlage 36 und ein CO ₂ - Abscheider 37 mit einem CO ₂ -Ausgang 38 zur Abgabe des abgeschiedenen CO ₂ nachgeschaltet.

Zur Kohlevergasung in der Kohlevergasungsanlage 34 wird Sauerstoff (O ₂ ) verwendet, welcher in einer Luftzerlegungsanlage 32 gewonnen und über eine Sauerstoffleitung 32a zugeführt wird. Die Luftzerlegungsanlage 32 erhält verdichtete Luft vom Ausgang des Niederdruckverdichters 13. Der bei der Zerlegung ebenfalls entstehende Stickstoff (N ₂ ) wird über eine Stickstoffleitung 32b zu unterschiedlichen Teilen der Hochdruckbrennkammer 18 und der

Niederdruckbrennkammer 19 zugeführt (siehe auch das Diagramm in Fig. 6).

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Zur Kühlung der vom Heissgas belasteten Komponenten der Brennkammern 18, 19 und Turbinen 16, 17 wird verdichtete Kühlluft an den Ausgängen der beiden Verdichter 13 und 14 abgezapft, in einem nachgeschalteten OTC-Kühler 23 bzw. 24 abgekühlt, und dann über entsprechende Kühlleitungen 25 und 26 den zu kühlenden Stellen zugeführt.

Am Ausgang der Niederdruckturbine 17 ist ein Abhitzedampferzeuger 27 angeordnet, der zusammen mit einer angeschlossenen Dampfturbine 29 Teil eines Wasser-Dampf-Kreislaufs ist. Das aus dem Abhitzedampferzeuger 27 austretende Abgas wird über eine Abgasleitung 28 nach aussen abgegeben.

Die hauptsächlichen technischen Herausforderungen bei der Verbrennung von Syngas in der Brennkammer einer Gasturbine sind:

- das Minimieren der Anforderungen an Gasdrücken oberhalb der bei der Vergasung und Luftzerlegung vorhandenen Gasdrücke,

- das Erreichen niedriger Emissionswerte,

- ein ausreichender Abstand zu den Grenzen von Flammenrückschlägen und Pulsationen, und

- die Aufrechterhaltung der Flexibilität im Betrieb bei änderungen in der Qualität des Kohlegases, sowie die Möglichkeit der Unterstützung mit anderen Brennstoffen (Erdgas oder öl).

Diese Herausforderungen können bei IGCC-Anlagen von der Konzeption her aus folgenden Gründen besonders gut durch eine Gasturbine mit Zwischenüberhitzung bewältigt werden:

1. Der bei der Zwischenüberhitzung inhärente Vorteil bezüglich NOx kann auch auf das Syngas übertragen werden, wenn die Verbrennungstemperaturen in den beiden Brennkammern optimal ausgewählt werden. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, lässt sich - ausgehend von der NOx-Kurve A für einstufige Verbrennung - durch

Reduzierung der Verbrennungstemperatur in der ersten Brennkammer bei zweistufiger Verbrennung (Kurve B) in

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Abhängigkeit von der Verdünnung des Syngases SD mit Stickstoff eine erhebliche Reduzierung E1 der NOx-Emission erreichen, die sich dann mit der höheren Emission in der zweiten Stufe (E2) zu einer Gesamtemission bei zweistufiger Verbrennung addiert (Kurve C), die gegenüber der einstufigen Verbrennung immer noch um die erhebliche Differenz E3 reduziert ist.

2. Die Stabilität der Verbrennung und die Flexibilität beim Betrieb der Gasturbine mit Zwischenüberhitzung sind grösser als bei einer vergleichbaren Gasturbine mit einstufiger Verbrennung. Die Betriebsgrenzen werden gemäss Fig. 4 typischerweise durch die

Flammenauslöschung (Grenzgebiet L2) und den Flammenrückschlag und/oder Emissionsniveaus (Grenzgebiet L1) in Abhängigkeit von der Brennstoffreaktivität FR für eine vorgegebene Flammentemperatur (T _F ) gegeben, was zu einem erlaubten Bereich von Brennstoffqualitäten und Brennstoffreaktivitäten führt. In der

Gasturbine mit einstufiger Verbrennung (Kurve F in Fig. 4) werden die Grenzen auf beiden Seiten schnell erreicht. In der Gasturbine mit Zwischenüberhitzung (Kurve D in Fig. 4) ist diese Betriebsgrenze deutlich erhöht, weil zwei Verbrennungssysteme den Betrieb bei zwei unabhängigen Flammentemperaturen ermöglichen, z.B. mit einer niedrigeren Temperatur in der ersten Stufe und einer höheren Temperatur in der zweiten Stufe, mit geringen Nachteilen bezüglich des NOx.

3. Die Anforderungen für den Gasdruck können minimiert werden, wenn der grösste Anteil des verdünnenden Stickstoffs (N ₂ ) in das zweite Verbrennungssystem (Brennkammer 19) injiziert wird, das typischerweise mit Drücken zwischen 15 und 20 bar arbeitet. Die optimale Auswahl von Vergasungsanlage, Luftzerlegungsanlage und Gasturbine hängt von der Auswahl der verschiedenen Technologien ab. Eine Konfiguration, die sich durch minimierte Gasverdichtung und damit minimierten Leistungsverlust auszeichnet, ist in den Fig. 5 und 6 schematisch dargestellt. Sie nutzt die inhärenten Vorteile der

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sequentiellen Verbrennung. Gemäss Fig. 5 wird der bei der Zerlegung der Luft 39 in der Luftzerlegungsanlage 32 Stickstoff über die Stickstoffleitung 32b einerseits direkt (ohne zusätzliche Verdichtung durch einen Verdichter V1 ) zur zweiten Brennkammer der Gasturbine 11 geleitet, während der zur ersten Brennkammer geführte Stickstoff im Verdichter V2 verdichtet wird. Entsprechend wird das aus Kohle 40 in der Kohlevergasungsanlage 34 erzeugte und in der Reinigungsanlage 36 gereinigte Syngas über die Syngaszuleitung 31 einerseits direkt (ohne zusätzliche Verdichtung durch einen Verdichter V3) zur zweiten Brennkammer geleitet, während der zur ersten Brennkammer geführte Stickstoff im Verdichter V4 verdichtet wird. Die Einsparung der beiden Verdichter V1 und V3 ist durch das Ausstreichen in Fig. 5 symbolisiert.

Gemäss Fig. 6 ergibt sich ein optimierter Betrieb der Anlage, wenn die zur ersten Brennkammer 18 und zur zweiten Brennkammer 19 geführten Massenströme m1 und m2 gemäss der Tabelle aus Fig. 6 jeweils 40-60% des Syngases und 0-20% des Stickstoffs (Massenstrom m1 ) bzw. 60-40% des Syngases und 100-80% des Stickstoffs (Massenstrom m2) haben. Das hat den zusätzlichen

Vorteil einer verbesserten Verbrennungsstabilität und Mischungsqualität im Mischer der zweiten Verbrennungsstufe.

Eine typische Düsenkonfiguration für die Eindüsung des Syngases (H2, CO) und Stickstoffs (N ₂ ) ist in Fig. 7 vereinfacht dargestellt: Die beiden Gase werden mittels einer Brennstoffdüse 42 konzentrisch eingedüst, wobei das Syngas durch eine Zentraldüse 44 einströmt, während der Stickstoff durch eine die Zentraldüse 44 konzentrisch umgebende Ringdüse 43 eingedüst wird. Die Brennstoffdüse 42 ist dabei senkrecht zur Richtung der in die Brennkammer einströmenden verdichteten Luft bzw. des Abgases aus der ersten Turbine orientiert. Durch die mantelförmig Umhüllung des

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Syngasstrahls mit Stickstoff wird das Syngas abgeschirmt und gekühlt und so die spontane Zündung durch die heisse verdichtete Luft bzw. das Abgas deutlich verzögert.

BEZUGSZEICHENLISTE

10,30,40 Kombikraftwerk

11 Gasturbine

12 Generator

13 Niederdruckverdichter

14 Hochdruckverdichter

15 Welle (Gasturbine)

16 Hochdruckturbine

17 Niederdruckturbine

18 Hochdruckbrennkammer

19 Zwischenüberhitzungsbrennkammer

20 Lufteinlass

21 ,22 Brennstoffzufuhr

23,24 OTC-Kühler

25,26 Kühlleitung

27 Abhitzedampferzeuger

28 Abgasleitung

29 Dampfturbine (Dampfkreislauf)

31 Syngaszuleitung

32 Luftzerlegungsanlage

32a Sauerstoffleitung

32b Stickstoffleitung

33 Kohlezufuhr

34 Kohlevergasungsanlage

35 Kühlvorrichtung

36 Reinigungsanlage

37 CO ₂ -Abscheider

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38 CO ₂ -Ausgang

39 Luft

40 Kohle

41 verdichtete Luft

42 Brennstoffdüse

43 Ringdüse

44 Zentraldüse

A ₁ B ₁ C ₁ D ₁ F Kurve

E1 ,E2,E3 Emissionsdifferenz (NOx)

FR Brennstoffreaktivität

L1.L2 Grenzgebiet m1 ,m2 Massenstrom

SD Syngasverdünnung

Tn Flammentemperatur (1. Brennkammer)

V1....V4 Verdichter