CH665452A5

CH665452A5 - Kombiniertes gas-/dampfturbinenkraftwerk mit co-verbrennung.

Info

Publication number: CH665452A5
Application number: CH6455/83A
Authority: CH
Inventors: Georg Dr Gyarmathy
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1983-12-02
Filing date: 1983-12-02
Publication date: 1988-05-13
Also published as: DE3413241A1

Description

BESCHREIBUNG Die vorliegende Erfindung betrifft ein kombiniertes Gas-/ Dampfturbinenkraftwerk mit CO-Verbrennung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Im Rahmen von Studien über integrierte Energiesysteme wurden Vorschläge gemacht, das in Kohlevergasungsanlagen gewonnene oder bei chemisch-technologischen Verfahren anfallende Kohlenmonoxid, CO, in Gasturbinen zu verbrennen und dazu anstelle von Luft Sauerstoff, O2, zu verwenden, um die Bildung von Stickoxiden, NOx, zu vermeiden. Zur Verdünnung der Verbrennungsgase und damit zur Herabsetzung von deren Temperatur am Eintritt in die Gasturbine sollte das CO mit Kohlendioxid, CO2, gemischt werden.

Eine nach diesem Konzept zu betreibende Anlage wurde vom M.I.T. (Massachusetts Institute for Technology) vorgeschlagen. Ihr Aufbau geht schematisch aus Figur 1 hervor. Darin stellt 1 eine Gasturbine mit einem Hochdruckteil 2 und einem Niederdruckteil 3 dar, die mit einem elektrischen Generator 4 und einem Verdichter 5 für ein C0/C02-Gasge-misch in Antriebsverbindung steht. Das C0/C02-Gemisch erhält der Verdichter 5 durch eine Leitung 6. Ein separat angetriebener Verdichter 7 verdichtet Sauerstoff, der ihm über eine Leitung 8 zugeführt wird. Das vom Verdichter 5 komprimierte C0/C02-Gasgemisch und das vom Verdichter 7 verdichtete O2 werden durch Leitungen 9 bzw. 10 in eine Brennkammer 11 gedrückt, wo das CO unvollständig verbrannt wird, so dass die durch eine Treibgasleitung 12 mit einer Temperatur von beispielsweise 1500 K in den Hochdruckteil 2 der Gasturbine 1 eintretenden Gase noch CO enthalten. Dieses restliche CO wird bis zum Ende des Hochdruckteils 2 durch O2, das an einigen Stellen über die Länge des Hochdruckteils verteilt eingeblasen wird, verbrannt, so dass die Treibgase im Hochdruckteil durch isothermische Expansion Arbeit leisten. Das für diese isothermische Verbrennung erforderliche O2 wird in zwei unabhängig von der Gasturbine angetriebenen Verdichtern, von denen der mit 13 bezeichnete als Niederdruckverdichter und der mit 14 bezeichnete als Hochdruckverdichter fungiert, auf den erforderlichen Druck gebracht und durch 02-Zuführleitungen 15 bis 19 dem Hochdruckteil zugeführt. Im anschliessenden Niederdruckteil 3 der Gasturbine erfolgt die weitere Entspannung der Treibgase ohne weitere Energiezufuhr adiabatisch.

Die aus der Gasturbine austretenden Abgase, die noch beispielsweise 1200 K heiss sind und praktisch nur aus CO2 bestehen, werden in einen Wärmetauscher 20 geleitet, wo sie den für eine Dampfturbogruppe benötigten Dampf erzeugen, und anschliessend gelangt ein Teil derselben durch eine Abgasleitung 21 in die Leitung 6, wo sie sich mit dem CO mischen und mit diesem in den Verdichter 5 strömen, während der überschüssige Teil der Abgase aus dem Gasturbinenkreislauf ins Freie oder zwecks irgendeiner Nutzung abgeleitet wird.

Im Dampfkessel 22 dieses Wärmetauschers 20 entsteht Dampf von beispielsweise 650 °C und 24 bar, der nach Arbeitsleistung in einer Hochdruckdampfturbine 23 vor dem Eintritt in eine Mitteldruckdampfturbine 24 in einem Zwischenüberhitzer 25 aufgeheizt wird. Zwischen der Mitteldruckdampfturbine 24 und einer doppelflutigen Niederdruckdampfturbine 26 wird der Dampf in einem weiteren Zwischenüberhitzer 27 nochmals aufgeheizt. Der Abdampf schlägt sich in einem Kondensator 28 nieder, von wo das Kondensat durch eine Kondensatrückförderpumpe 29 in den Dampfkessel 22 zurückgefördert wird.

Die drei Turbinen treiben über eine gemeinsame Welle einen elektrischen Generator 30 an.

Diese vom M.I.T. vorgeschlagene Anlage weist den betrieblich schwerwiegenden Nachteil auf, dass die Strukturelemente der 02-Verdichter durch den reinen Sauerstoff metallurgisch gefährdet sind. Es tritt Versprödung auf, die Festigkeit fällt ab, es besteht Brandgefahr durch Reibungshitze, die beim Anstreifen rotierender an stillstehenden Teilen entsteht und bei Anwesenheit von O2 zur Entzündung und zum Verbrennen der metallischen Bauteile führen kann. Die gleichfalls vorhandenen metallurgischen Probleme, die C0/C02-Gemische in Verdichtern bereiten, wiegen demgegenüber weniger schwer und können daher in Kauf genommen werden.

Weitere Nachteile bestehen darin, dass der bauliche Aufwand durch die Verwendung mehrerer 02-Verdichter hoch

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und dementsprechend teuer ist und dass die Mehrdruckein-speisung von O2 in die Turbine durch mehrere separat angetriebene Verdichter die Lastregelung des Kraftwerks erschwert.

Die vorliegende, im Patentanspruch 1 definierte Erfindung entstand aus der Aufgabe, bei einer Anlage der oben beschriebenen Art die vorerwähnten Nachteile im Zusammenhang mit der Verwendung von reinem Sauerstoff in den Verdichtern zu vermeiden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben. In der Zeichnung stellen dar:

Figur 1 das Schema eines kombinierten Gas-/Dampftur-binenkraftwerks nach der vom M.I.T. vorgeschlagenen, in der Einleitung beschriebenen Konzeption,

Figur 2 das Schema einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäss verbesserten Anlage, und die

Figur 3 ebenfalls schematisch eine weitere Ausführungsform einer solchen erfindungsgemässen Anlage.

Die in den Figuren 2 und 3 dargestellten erfindungsgemässen Gas-/Dampfturbinenkraftwerke unterscheiden sich gegenüber der in Figur 1 dargestellten bekannten Anlage bezüglich der Zusammensetzung der Gase für ihren Betrieb. Während bei der bekannten Anlage mindestens zwei Ch-Ver-dichter 7 und 14 mit den eingangs erwähnten metallurgischen Problemen vorhanden sind (der dritte mit 13 bezeichnete ist nicht unbedingt erforderlich), werden erfindungsgemäss die mit der Verwendung von reinem Sauerstoff verbundenen Schwierigkeiten vermieden, indem der Sauerstoff vor dem bzw. den dafür vorgesehenen Verdichtern mit CO2 vermischt wird und die schädliche Wirkung des reinen Sauerstoffs auf die metallischen Bauteile sowie auch die Brandgefahr dadurch entscheidend reduziert werden.

Das als Heizgas dienende CO wird ebenso wie beim bekannten Kraftwerk nach Figur 1 mit CO2 vermischt verdichtet.

Die in Figur 2 schematisch dargestellte Anlage ist prinzipiell gleich aufgebaut wie die bekannte, in Figur 1 dargestellte Anlage. Eine Gasturbine 31 ist in einen Hochdruckteil 32 mit isothermischer Verbrennung und einem Niederdruckteil 33 mit adiabatischer Expansion unterteilt. Die Gasturbine 31 treibt neben einem Generator 34 noch einen Verdichter 35 für ein C0/C02-Gemisch und einen Verdichter 36 für ein 02/C02-Gemisch über eine gemeinsame Welle an.

Der Verdichter 35 erhält das C0/C02-Brenngas über eine Leitung 37 beispielsweise von einer Kohlevergasungsanlage, der Verdichter 36 das 02/C02-Gasgemisch über eine Leitung 40, in die eine Leitung 38 für O2 und eine Leitung 39 für CO2 einmünden und in der sich O2 und CO2 mischen.

Der O2/CO2-Verdichter 36 kann, falls zur Begrenzung der Verdichtungsendtemperatur erforderlich, mit einem Zwischenkühler 41 versehen sein, dessen Abwärme in einer Dampfprozessunterstufe, z.B. zur Speisewasservorwärmung, ausgenutzt werden kann.

Die Gemische CO/CO2 und O2/CO2 werden mit CO-Überschuss in eine Brennkammer 42 gedrückt, so dass die in den Hochdruckteil 32 der Gasturbine eintretenden Treibgase bei einer zulässigen Maximaltemperatur noch so viel CO enthalten, dass in ihm eine isothermische Verbrennung möglich ist. Das dafür benötigte O2 liefert ein Sekundärverdichter 43 über Zuführleitungen 44,45 und 46 in Form eines O2/CO2-Gemisches, das ihm über eine Leitung 47 zugeführt wird. O2 und CO2 werden der Leitung 47 über Leitungen 48 bzw. 49 getrennt zugeführt. Zwischen dem Sekundärverdichter 43 und den Zuleitungen 44-46 kann erforderlichenfalls ein Nachkühler 50 vorgesehen sein, um die Temperatur im Hochdruckteil der Gasturbine auf für das Material zulässige Werte zu begrenzen.

Die Dosierung des sekundären 02/C02-Gemisches durch die Zuleitungen 44-46 erfolgt durch bekannte Mittel in Abhängigkeit von den primär in die Brennkammer 42 eingeführten CO/CO2- und 02/C02-Strömen derart, dass das CO am Ende des Hochdruckteils 32 im wesentlichen vollständig zu CO2 verbrannt ist. Im Niederdruckteil 33 der Gasturbine leisten die Treibgase ohne weitere Energiezufuhr adiabatische Expansionsarbeit. Danach durchströmen die entspannten Gase unter Wärmeabgabe einen Wärmetauscher 51 einer symbolisch durch den strichliert gezeichneten Kasten dargestellten Dampfturbogruppe 52, beispielsweise der in Figur 1 dargestellten Art.

Die im Wärmetauscher abgekühlten Abgase treten durch eine Abgasleitung 53 teilweise ins Freie, der Rest der im wesentlichen aus CO2 bestehenden Abgase wird, wie eingangs erwähnt, durch die Leitung 39 und 49 in die Leitungen 40 bzw. 47 zur Mischung mit dem reinen O2 abgezapft. Die Durchflussmengen durch diese Leitungen werden ebenso wie jene der Zuführleitungen 44-46 nach dem Sekundärverdichter 43 durch festeingestellte oder verstellbare Drosseln auf Werte eingestellt, die das gewünschte Mischungsverhältnis O2/CO2 einhalten bzw. der Forderung annähernd isothermer Verbrennung im Hochdruckteil 32 entsprechen.

Falls die Abgastemperaturen in der Abgasleitung 53 im Hinblick auf die höchstzulässigen Verdichtungsendtemperaturen der Verdichter 36 und 43 zu hoch sind, so können in den Leitungen 39 und 49 Wärmetauscher 54 bzw. 55 vorgesehen sein, die für Dampfprozessunterstufen nutzbar gemacht werden können.

Eine nach dem gleichen Prinzip arbeitende Anlage mit nur einem einzigen 02/C02-Verdichter 56 zeigt das Schema nach Figur 3. Darin sind Elemente, die jenen der Variante nach Figur 2 entsprechen, auch mit gleichen Bezugszahlen versehen. Abweichende Elemente sind der erwähnte O2/CO2-Verdichter 56, der sowohl das Gasgemisch für die Hauptverbrennung in der Brennkammer 42 als auch das Gasgemisch für die isotherme Nachverbrennung im Hochdruckteil 32 der Gasturbine 31 liefert. Es entfällt also bei dieser Variante ein Sekundärverdichter für das 02/C02-Gemisch, das die isotherme Verbrennung im Hochdruckteil 32 der Gasturbine aufrechterhalten soll.

Die Rolle des sekundären O2/CO2-Verdichters übernehmen hier mehrere 02/C02-Zapfleitungen 57, 58, 59, die Verdichterdruckstufen mit einigen Stufen des Hochdruckteils 32 der Gasturbine verbinden. Das abgezapfte Gasgemisch kann, beispielsweise in den zwei Zapfleitungen 57,58, durch Wärmetauscher 60, 61, die hier in Reihe geschaltet sind, gekühlt werden. Drosseln in den drei Zapfleitungen 57-59 sind mit 62, 63,64 bezeichnet und 65 stellt ein Abblaseventil dar, das vorgesehen werden kann, um ein Pumpen des Verdichters 56 zu verhüten. Es entlässt einen Teil des komprimierten 02/C02-Gemisches wieder zurück in die Leitung 40. Solche Abblaseventile können bei Bedarf auch in den übrigen Zapfleitungen installiert werden.

Bei der Variante nach Figur 2 könnte es zwecks Verbesserung der isothermen Verbrennung im Hochdruckteil 32 der Gasturbine vorteilhaft sein, den Anteil an O2 im sekundären 02/C02-Verdichter grösser, z.B. mindestens doppelt so hoch, zu wählen als im Hauptverdichter 36.

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2 Blatt Zeichnungen

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1. Kombiniertes Gas/Dampfturbinenkraftwerk mit CO-Verbrennung, mit einer Gasturbogruppe, die eine Gasturbine (31) mit einem Hochdruckteil (32) und einem Niederdruckteil (33) sowie einen Verdichter (35) für ein CO/CCh-Gasgemisch und einen elektrischen Generator (34) aufweist, die in direkter Antriebsverbindung mit der Gasturbine (31) stehen, ferner mit einer Brennkammer (42) zur teilweisen Verbrennung des erwähnten CO im CO/CCh-Gasgemisch durch O2 sowie mit Verdichtungsmitteln zur Lieferung von O2 zwecks vollständiger Verbrennung des in der Brennkammer (42) nicht verbrannten Co-Anteils im Hochdruckteil (32) der Gasturbine

(31), wobei die erwähnten Verdichtungsmittel des O2 derart dosiert über die Länge des Hochdruckteiles (32) verteilt in die Gasturbine einblasen, dass die Verbrennung im Hochdruckteil (32) isotherm verläuft, wogegen der anschliessende Niederdruckteil (33) der Gasturbine (31) von den aus dem Hochdruckteil (32) kommenden Treibgasen unter adiabatischer Entspannung durchströmt wird, ferner mit einer der Gasturbogruppe thermisch nachgeschalteten Dampfturbogruppe, für deren Dampferzeugung die Wärmekapazität der Abgase aus der Gasturbine in einem Wärmetauscher (51) ausgenützt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein in direkter Antriebsverbindung mit der Gasturbine (31) stehender Verdichter (36; 56) für ein 02/C02-Gasgemisch vorhanden ist, dessen O2 zur Verbrennung des im C0/C02-Gasgemisch enthaltenen CO dient und das durch Zumischung eines Teiles der Abgase des Kraftwerks zu einer externen Quelle geliefertem O2 erhalten wird, und dass die erwähnten Verdichtungsmittel zur Lieferung des O2 in den Hochdruckteil (32) der Gasturbine (31) das O2 als Bestandteil eines 02/C02-Gemisches verdichten, das durch Zumischen eines Teiles der Abgase des Kraftwerks zu von einer externen Quelle geliefertem O2 erhalten wird.

2. Kombiniertes Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungsmittel für die Lieferung des O2 in den Hochdruckteil der Gasturbine (31) im wesentlichen aus einem unabhängig von der Gasturbine antreibbaren 02/C02-Sekundärverdichter (43) und aus Zuführleitungen (44-46) für das Einblasen des vom Sekundärverdichter (43) verdichteten 02/C02-Gasgemisches in den Hochdruckteil

(32) der Gasturbine (31) bestehen.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Kombiniertes Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Verdichtungsmittel zur Lieferung des O2 in den Hochdruckteil (32) der Gasturbine (31) einige Druckstufen des von der Gasturbine (31) direkt angetriebenen O2/CO2-Verdichters (56) in Verbindung mit Zapfleitungen (57-59) benutzt werden, welche diese Druckstufen mit Einblasestellen für das 02/C02-Gasgemisch im Hochdruckteil (32) der Gasturbine (31) verbinden.

4. Kombiniertes Kraftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärverdichter (43) ein bezüglich des 02-Anteils reicheres 02/C02-Gasgemisch liefert als der primäre 02/C02-Verdichter (36).