CH698638A2 - Verfahren zur Einspritzung von Verdünnungsmittel in eine Gasturbinenanordnung. - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Einspritzung eines Verdünnungsmittels in eine Gasturbinenanordnung (110) bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Kanalisieren eines Luftstroms in einen ersten Verdichter (522) zur Verdichtung, das Einspritzen eines Verdünnungsmittels in einen Verdünnungsmittelverdichter (520) zur Verdichtung und das Kanalisieren des verdichteten Verdünnungsmittels in einen verdichteten Luftstrom, der aus dem ersten Verdichter austritt, um den Sauerstoffgehalt des verdichteten Luftstroms zu verdünnen.

Description

  Stand der Technik

  

[0001]    Das Gebiet der Erfindung betrifft allgemein Vergasungssysteme wie z.B. Vergasungssysteme, die in einem Kombikraftwerk mit integrierter Kohlevergasung (IGCC) verwendet werden, und insbesondere Verfahren zur Einspritzung eines Verdünnungsmittels in eine Gasturbinenanordnung, die in einem IGCC-Kraftwerk verwendet wird.

  

[0002]    Die meisten bekannten IGCC-Kraftwerke schliessen ein Vergasungssystem ein, das mit mindestens einer stromerzeugenden Turbinenanordnung integriert ist. Zum Beispiel wandeln mindestens einige bekannte Vergasungssysteme ein Gemisch aus Brennstoff, Luft oder Sauerstoff, Dampf und/oder CO2 in ein Synthesegas oder "Syngas" um. Das Syngas wird zur Brennkammer eines Gasturbinenmotors kanalisiert, der einen Stromgenerator antreibt, der ein Stromnetz mit elektrischem Strom versorgt. Abgas aus mindestens einigen bekannten Gasturbinenmotoren wird einem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger (HRSG) zugeführt, der Dampf zum Antrieb einer Dampfturbine erzeugt. Kraft, die von der Dampfturbine erzeugt wird, treibt auch einen Stromgenerator an, der das Stromnetz mit elektrischem Strom versorgt.

  

[0003]    In vielen IGCC-Kraftwerken werden Verdünnungsmittel wie zum Beispiel Stickstoffabgase aus Luftzerlegungsanlagen eingespritzt, um die Stickoxidemissionen zu senken und/oder die Leistungsabgabe zu erhöhen. Konventionell wurden Verdünnungsmittel wie z.B. Stickstoff auf den Brennstoffversorgungsdruck verdichtet und entweder zum Brennstoffström hinzugefügt oder direkt in die Verbrennungszone der Gasturbinenbrennkammer eingespritzt, um Stickoxidemissionen zu reduzieren. In einigen Ausführungsformen wurden bei Bedarf auch zusätzliche gasförmige Verdünnungsmittel in die Verdünnungszone der Brennkammer eingespritzt, um die Leistungsabgabe der Gasturbine zu erhöhen.

   Dieser letztere Gebrauch von Verdünnungsmitteln erfordert einen Verdichter für gasförmige Verdünnungsmittel, dessen Verdichtungsdruck hoch genug ist, um genügend Verdünnungsmittel zur Mischung mit dem Brennstoffström abzugeben, bevor das Gemisch in das Brennstoff-Regelventil eingespritzt wird, und/oder erfordert ein separates Verdünnungsmittel-Einspritzregelventil zur Einspritzung in die Gasturbinenbrennkammer. In beiden bekannten Verfahren ist eine hohe Verdichtungsleistung durch den Verdünnungsmittelverdichter erforderlich, zusammen mit hochreinem Verdünnungsmittel mit sehr geringem Sauerstoffgehalt, d.h. typischerweise kleiner als 2%, um im Falle eines Flammenrückschlags bei der Syngasbrennstoffverbrennung Schäden an der Ausrüstung zu vermeiden. Doch solche Systeme sind allgemein teuer und weisen nur eine begrenzte Wirksamkeit auf.

Kurze Beschreibung der Erfindung

  

[0004]    Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Einspritzung von Verdünnungsmitteln in eine Gasturbinenanordnung eines Kombikraftwerks mit integrierter Kohlevergasung (IGCC), um Stickoxidemissionen zu senken und den Wärmewirkungsgrad des Kraftwerks zu erhöhen. Das heisst, in einer Ausführungsform umfasst das Verfahren das Einspritzen eines verdichteten Verdünnungsmittels in die Hauptluftverdichter-Auslassleitung, um es mit einem verdichteten Luftstrom zu mischen. In einer anderen Ausführungsform umfasst das Verfahren das Einspritzen des Verdünnungsmittels direkt in den Hauptluftverdichter mit einem Luftstrom.

   In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zur Einspritzung eines Verdünnungsmittels in eine Gasturbinenanordnung eines IGCC-Kraftwerk auf solche Weise bereitgestellt, dass die Kühlung der Kühlluftkreise für die heissen Turbinenteile gewährleistet wird.

  

[0005]    Demnach wird in einem Aspekt ein Verfahren zur Einspritzung eines Verdünnungsmittels in eine Gasturbinenanordnung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Kanalisieren eines Luftstroms in einen ersten Verdichter zur Verdichtung; das Einspritzen eines Verdünnungsmittels in einen Verdünnungsmittelverdichter zur Verdichtung; und das Kanalisieren des verdichteten Verdünnungsmittels in einen verdichteten Luftstrom, der aus der Auslassleitung des ersten Verdichters austritt.

  

[0006]    In einem anderen Aspekt wird ein Verfahren zur Einspritzung eines Verdünnungsmittels in eine Gasturbinenanordnung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Einspritzen eines Verdünnungsmittels in einen Luftstrom, um die Verdünnung eines Sauerstoffgehalts des Luftstroms zu erleichtern; und das Kanalisieren des verdünnten Luftstroms in einen ersten Verdichter zur Verdichtung.

  

[0007]    In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Einspritzung eines Verdünnungsmittels in eine Gasturbinenanordnung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Kanalisieren eines Verdünnungsmittels in einen Verdünnungsmittelverdichter zur Verdichtung; das Auslassen des verdichteten Verdünnungsmittels in mindestens eine Kühlleitung; und das Führen des verdichteten Verdünnungsmittels stromabwärts, um die Kühlung eines Abschnitts der Gasturbinenanordnung zu erleichtern.

  

[0008]    Weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung gehen zum Teil aus dem Folgenden hervor und werden zum Teil hervorgehoben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

  

[0009]    
<tb>Fig. 1<sep>ist ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Kombikraftwerks mit integrierter Kohlevergasung (IGCC); und


  <tb>Fig. 2<sep>ist ein schematisches Diagramm einer Gasturbinenanordnung und eines Verdünnungsmittel-Einspritzsystems, das mit dem in Fig. 1 gezeigten IGCC-Kraftwerk verwendet wird.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

  

[0010]    Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein verbesserte Verfahren zur Einspritzung eines Verdünnungsmittel in eine Gasturbinenanordnung. In einer Ausführungsform wird das Verdünnungsmittel in die Gasturbinenanordnung eingeleitet, um die Verdünnung der Stickoxidemissionen und insbesondere des Sauerstoffgehalts des verdichteten Luftstroms zu erleichtern, der zur Verbrennung in der Gasturbine verwendet wird. In einer alternativen Ausführungsform wird das Verdünnungsmittel in die Gasturbinenanordnung eingespritzt, um die Kühlung der Turbinenkomponenten zu erleichtern.

  

[0011]    Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Kombikraftwerks 100 mit integrierter Kohlevergasung (IGCC). Das IGCC-System 100 umfasst allgemein einen Hauptluftverdichter 52, eine Luftzerlegungsanlage 54, die in Strömungsverbindung mit dem Verdichter 52 gekoppelt ist, eine Vergasungsanlage 56, die in Strömungsverbindung mit der Luftzerlegungsanlage 54 gekoppelt ist, eine Gasturbinenanordnung 110, die in Strömungsverbindung mit der Vergasungsanlage 56 gekoppelt ist, und eine Dampfturbine 58. In Betrieb verdichtet der Verdichter 52 Umgebungsluft. Die verdichtete Luft wird zur Luftzerlegungsanlage 54 kanalisiert. In einigen Ausführungsformen wird der LuftZerlegungsanlage 54 zusätzlich oder alternativ zum Verdichter 52 verdichtete Luft aus dem Verdichter 12 der Gasturbinenanordnung zugeführt.

   Die LuftZerlegungsanlage 54 verwendet die verdichtete Luft, um Sauerstoff zur Verwendung durch die Vergasungsanlage 56 zu erzeugen. Das heisst, die Luftzerlegungsanlage 54 teilt die verdichtete Luft in getrennte Ströme aus Sauerstoff und einem Gasnebenprodukt auf, das manchmal als "Prozessgas" bezeichnet wird. Das von der Luftzerlegungsanlage 54 erzeugte Prozessgas enthält Stickstoff und wird hierin als "Stickstoff-Prozessgas" bezeichnet. Das Stickstoff-Prozessgas kann auch andere Gase wie z.B., aber ohne darauf beschränkt zu sein, Sauerstoff und/oder Argon enthalten. In einigen Ausführungsformen enthält das Stickstoff-Prozessgas zum Beispiel zwischen etwa 90% (Gewichtsprozent) und etwa 100% (Gewichtsprozent), und insbesondere zwischen etwa 95% (Gewichtsprozent) und etwa 100% (Gewichtsprozent) Stickstoff.

   Der Sauerstoffström wird zur Vergasungsanlage 56 kanalisiert, um unvollständig verbrannte Gase zu erzeugen, hierin als "Syngas" bezeichnet, die von der Gasturbinenanordnung 110 als Brennstoff verwendet werden, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben. In einigen bekannten IGCC-Systemen 100 wird mindestens ein Teil des Stickstoff-Prozessgasstroms, der ein Nebenprodukt der LuftZerlegungsanlage 54 ist, an die Atmosphäre abgegeben. Zudem wird in einigen bekannten IGCC-Systemen 100 ein Teil des Stickstoff-Prozessgasstroms in eine Verbrennungszone (nicht gezeigt) innerhalb der Gasturbinenbrennkammer 500 eingespritzt, um die Emissionskontrolle der Anordnung 110 zu erleichtern, und insbesondere, um die Senkung der Verbrennungstemperatur und die Senkung der Stickoxidemissionen aus der Anordnung 110 zu erleichtern.

   Das IGCC-System 100 kann einen Verdichter 60 aufweisen, um den Stickstoff-Prozessgasstrom zu verdichten, bevor er in die Verbrennungszone eingespritzt wird.

  

[0012]    Die Vergasungsanlage 56 wandelt eine Mischung aus Brennstoff, dem Sauerstoff, der von der Luftzerlegungsanlage 54 zugeführt wird, flüssigem Wasser und/oder Dampf und/oder Schlackenadditiv in ein Syngasprodukt um, das von der Gasturbinenanordnung 110 als Brennstoff genutzt wird. Obwohl die Vergasungsanlage 56 jeden Brennstoff verwenden kann, verwendet die Vergasungsanlage 56 in einigen bekannten IGCC-Systemen 100 Kohle, Petrolkoks, Altöl, Ölemulsionen, Teersände und/oder andere vergleichbare Brennstoffe. In einigen bekannten IGCC-Systemen 100 enthält das Syngas, das von der Vergasungsanlage 56 erzeugt wird, Kohlendioxid. Das von der Vergasungsanlage 56 erzeugte Syngas kann in einer Reinigungsvorrichtung 62 gereinigt werden, bevor es zu seiner Verbrennung zur Gasturbinenbrennkammer 500 kanalisiert wird.

   Kohlendioxid kann während der Reinigung vom Syngas getrennt werden und bei einigen bekannten IGCC-Systemen 100 an die Atmosphäre abgegeben werden. Die Leistungsabgabe von der Gasturbinenanordnung 110 treibt einen Generator 118 an, der ein Stromnetz (nicht gezeigt) mit elektrischem Strom versorgt. Abgas aus der Gasturbinenanordnung 110 wird einem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger 66 zugeführt, der Dampf zum Antrieb der Dampfturbine 58 erzeugt. Die Kraft, die von der Dampfturbine 58 erzeugt wird, treibt einen Stromgenerator 68 an, der das Stromnetz mit elektrischem Strom versorgt. In einigen bekannten IGCC-Systemen 100 wird Dampf aus dem Wärmerückgewinnungsdampferzeuger 66 der Vergasungsanlage 56 zugeführt, um das Syngas zu erzeugen.

  

[0013]    Auch wenn das IGCC-Kraftwerk 100, wie oben erwähnt, die Luftzerlegungsanlage 54 einschliesst, um N2, O2, und andere Gaskomponenten (z. B. Argon und dergleichen) zu trennen, versteht es sich, dass die Leitung 206, wie oben erwähnt, kein reines N2 führt; das heisst, im Luftstrom, der durch die Leitung 206 transportiert wird, ist ein Rest an O2 und anderen Komponenten vorhanden. Zum Beispiel hat sich erwiesen, dass der getrennte Luftstrom, der durch die Leitung 206 kanalisiert wird, typischerweise etwa 95 % oder mehr (Gewichtsprozent) Stickstoff und etwa 5 % (Gewichtsprozent) oder weniger sonstige Gaskomponenten wie z. B. Sauerstoff und Argon enthält.

   Es ist seit langem bekannt, dass bei der Syngasverbrennung mit einer Luftversorgung, die einen relativ hohen Sauerstoffgehalt aufweist, d.h., typischerweise grösser als 2%, das Risiko von Schäden an Komponenten des IGCC-Kraftwerks 100, die durch einen Flammenrückschlag bei der Syngasbrennstoffverbrennung bedingt sind, erhöht ist. Daher wurden mindestens bei einigen bekannten IGCC-Kraftwerken dem Syngasbrennstoff (nicht gezeigt) ein oder mehrere Verdünnungsmittel (nicht gezeigt) zugesetzt, bevor er verbrannt wird.

  

[0014]    Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm einer beispielhaften Gasturbinenanordnung 110, die mit dem (in Fig. 1gezeigten) IGCC-Kraftwerk 100 verwendet wird. Das heisst, in der beispielhaften Ausführungsform umfasst die Gasturbinenanordnung 110 die Gasturbine 114 und den ersten Stromgenerator 118, wie oben beschrieben. Konventionell wurden ein oder mehrere Verdünnungsmittel entweder vor einer Brennkammer 500 dem Syngasbrennstoffstrom zugesetzt, wie allgemein bei 502A, 502B und 502C angegeben, oder wurden durch die Leitung 504 und/oder die Leitung 506 direkt in verschiedene Stufen der Brennkammer eingespritzt (um mit dem Syngasbrennstoff und dem unten beschriebenen verdichteten Luftstrom verbrannt zu werden). Wie oben beschrieben, sind derartige Einspritzverfahren allgemein ineffizient und teuer.

   Das heisst, bei bekannten Einspritzverfahren wird der Hauptluftstrom vor der Verbrennung allgemein nicht effektiv verdünnt und der Hauptluftstrom weist höhere Sauerstoffpegel auf (typischerweise mehr als 21 Molprozent Sauerstoff) , was einen Flammenrückschlag verursachen kann.

  

[0015]    Typische Verdünnungsmittel zur Verwendung in einer Gasturbinenanordnung 110, wie sie im IGCC-Kraftwerk 100 und in ähnlichen Prozessen verwendet wird, schliessen zum Beispiel Stickstoff, Dampf und Kohlendioxid ein. Ein besonders bevorzugtes Verdünnungsmittel zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung ist Stickstoff, der in der Luftzerlegungsanlage 54 unter Druck vom Sauerstoff getrennt wird. Diese Verdünnungsmittel können in Mengen bis zu etwa dem Dreifachen der Brennstoffgasmenge zugesetzt werden, die in der Gasturbinenanordnung 110 verwendet wird, wodurch die Verbrennungsflammentemperaturen und die entsprechenden Stickoxidemissionen in der Brennkammer 500 gesenkt werden.

   Die Verfahren der vorliegenden Erfindung stellen verbesserte Verdünnungsmittel-Einspritzleitungen 508, 510, 512, 514 und 516 zur effektiveren Einspritzung des Verdünnungsmittels in die Gasturbinenanordnung 110 bereit. Das heisst, in einer Ausführungsform werden ein oder mehrere Verdünnungsmittel zuerst in den Verdünnungsmittelverdichter 520 eingeleitet, wobei das aus der Luftzerlegungsanlage 54 verfügbare Verdünnungsmittel, das normalerweise bei einem Druck von einem Drittel von dem des in den Hauptluftverdichter 522 eintretenden Luftstroms vorliegt, von einem Druck von etwa 60 Pfund pro Quadratzoll absolut (psia) auf einen Druck von etwa 300 psia verdichtet wird.

  

[0016]    Während das Verdünnungsmittel im Verdichter 520 verdichtet wird, wird der Hauptluftstrom, der durch die Luftzerlegungsanlage 54 (in Fig. 1 gezeigt) getrennt wurde, um mindestens etwa 95 % (Gewichtsprozent) Stickstoff und weniger als etwa 5% (Gewichtsprozent) Sauerstoff und/oder Argon zu enthalten, über die Leitung 206 zum Hauptluftverdichter 522 kanalisiert, in welchem der Hauptluftstrom verdichtet wird. Typischerweise wird der Hauptluftstrom im Hauptluftverdichter 522 aus Umgebungsluft mit einem Druck im Bereich von etwa 13 psia bis 14,7 psia auf einen Druck von etwa 150 psia bis 350 psia verdichtet, je nach dem Verdichterdesign der Gasturbinenanordnung 110. Nach der Verdichtung wird der Hauptluftstrom über die Verdichterauslassleitung 518 aus dem Hauptluftverdichter 522 zur Brennkammer 500 ausgelassen.

  

[0017]    Das verdichtete Verdünnungsmittel wird mit dem verdichteten Hauptluftstrom vermischt. Wenn das Verdünnungsmittel durch die Verdichterauslassleitung 518 in den Hauptluftstrom eingeleitet wird, braucht das Verdünnungsmittel nicht die strengen Druckanforderungen zu erfüllen, die andernfalls erforderlich wären. Das heisst, die strengen Verdünnungsmitteldruckanforderungen hängen vom Einspritzort des Verdünnungsmittels und seiner Rolle beim Erreichen der Stickoxidemissionen ab. Typischerweise muss der Verdünnungsmitteldruck höher sein als der, der für alle Betriebsbedingungen der Brennkammer 500 erforderlich ist.

   Das heisst, bei konventionellen Verfahren ist ein höherer Druck des in die Brennkammer eingespritzten Materials erforderlich, der allgemein etwa 30% bis etwa 60% über dem Druck am Einspritzpunkt liegt, um Druckverluste zu berücksichtigen, die auf ein oder mehrere Durchflussregelventile 602, 604, 606, 608 und 610 und die ausreichende Verteilung des Verdünnungsmittels zurückzuführen ist, z.B. durch Einspritzung über Düsen (nicht gezeigt) sowohl in den Gasturbinenbrennstoffstrom als auch direkt in die Brennkammer 500. Die Verwendung der erfindungsgemässen Einspritzverfahren erfordert aber nur, dass der Verdünnungsmitteldruck 10% bis etwa 15% über dem Druck am Einspritzpunkt in der Verdichterauslassleitung 518 liegt, da es genug Zeit und Raum hat, um sich mit dem verdichteten Auslassluftstrom zu vermischen.

  

[0018]    In einer anderen Ausführungsform wird das Verdünnungsmittel direkt eingeleitet und der Luftstrom tritt über die Leitung 206 in die Gasturbinenanordnung 110 ein, sobald er von der Luftzerlegungsanlage 54 getrennt wurde. Das heisst, das Verdünnungsmittel wird direkt in den Hauptluftstrom in Leitung 206 eingeleitet. Nach der Mischung wird der verdünnte Luftstrom zum Hauptluftverdichter 522 kanalisiert und weiter verdichtet. Nach der Verdichtung wird der Hauptluftstrom zum Hauptluftverdichter 522 über die Verdichterauslassleitung 518 und zur Brennkammer 500 kanalisiert, um mit Syngasbrennstoff verbrannt zu werden.

  

[0019]    Indem das Verdünnungsmittel durch die erfindungsgemässen Verfahren in die Gasturbinenanordnung 110 eingeleitet wird, enthält der verdünnte verdichtete Luftstrom (der dann typischerweise verbrannt und zur Gasturbine 114 geleitet wird, um Energie zu erzeugen, wie hierin ausführlicher beschrieben) allgemein weniger als etwa 21 Molprozent Sauerstoff. In einer Ausführungsform enthält die verdünnte verdichtete Luft etwa 10 Molprozent bis etwa 15 Molprozent Sauerstoff. Wie oben erwähnt, kann durch Verringerung des Sauerstoffgehalts die Gefahr eines Flammenrückschlags während der Verbrennung verringert werden.

  

[0020]    Die Gasturbinenbrennkammer 500 ist spezifisch mit Brennstoffdüsen (nicht gezeigt) ausgelegt, die hohe Druckabfälle erzeugen, um ihre Strömungsgeschwindigkeit zur Verbrennung mit Luft aus dem verdichteten Auslassluftstrom in der Verbrennungszone in allen Betriebsbedingungen zu erhöhen. In einer typischen Gasturbine ist der Brennstoffström typischerweise kleiner als der Luftstrom, typischerweise etwa 2% bis etwa 10% des Luftstroms. Die Brennkammern sind daher mit einem sehr geringen Druckabfall im Luftstromkreis ausgelegt, um Verluste zu reduzieren und den Wirkungsgrad der Gasturbine zu erhöhen. Ein Flammenrückschlag kann nur in dem Verbrennungsbereich auftreten, wo der Brennstoff mit dem verdichteten Auslassluftstrom aus der Austrittsleitung, (hierin auch als Auslassleitung bezeichnet) 518 zusammentreffen kann.

   Bei den verbesserten Verdünnungsmittel-Einspritzkreisen der vorliegenden Erfindung wird das Verdünnungsmittel aber an früheren Stellen mit dem Luftstrom gemischt als an den Stellen in der Brennkammer, wo die Verdünnungsmitteleinspritzung konventionell erfolgt.

  

[0021]    Wie oben beschrieben, wird nach der Verdünnung der verdünnte verdichtete Luftstrom (typischerweise mit einer Temperatur von etwa 400[deg.]F bis etwa 1000[deg.]F) in die Brennkammer 500 eingespritzt und zusammen mit einer Brennstoffquelle (typischerweise Syngasbrennstoff mit einer Temperatur von typischerweise etwa 250[deg.]F bis etwa 500[deg.]F) bei einer Temperatur von etwa 2000[deg.]F bis etwa 3500[deg.]F und einem Druck von etwa 100 psia bis etwa 350 psia verbrannt. Bevorzugt wird der verdünnte verdichtete Luftstrom zusammen mit einer Brennstoffquelle bei einer Temperatur von etwa 2500[deg.]F und einem Druck von etwa 230 psia verbrannt. Nach der Verbrennung werden die resultierenden Verbrennungsgase zur Turbine 114 hin kanalisiert, um Energie für den ersten Stromgenerator 118 zu erzeugen.

  

[0022]    In einer alternativen Ausführungsform kann das Verdünnungsmittel im Vergleich zu konventionellen Mitteln als alternatives Kühlmittel zur Kühlung von heissen Turbinenkomponenten (nicht gezeigt) der Gasturbinenanordnung 110 wirken. Das heisst, Gasturbinenanordnungen müssen allgemein gekühlt werden, um eine Überhitzung und Fehlfunktion zu verhindern. Zum Beispiel wird bei einigen bekannten Gasturbinenanordnungen Kühlluft (mit einer Temperatur von etwa 500[deg.]F bis etwa 1000[deg.]F, und bevorzugt etwa 800[deg.]F) durch Leitungen 510, 512 und 514 zugeführt, um die Kühlung der Turbinenkomponenten zu erleichtern. Überdies kann verdichtete Luft aus dem Hauptluftverdichter 522 (z.B. über Leitungen 510, 512 und 514) zu verschiedenen Komponenten der Gasturbinenanordnung 110 geleitet werden, um die Kühlung zu erleichtern.

   Durch Kühlung der Gasturbinenanordnung 110 auf die oben beschriebenen konventionellen Weisen können die Temperaturen verschiedener Komponenten der Gasturbinenanordnung typischerweise zwischen etwa 500[deg.]F bis etwa 1000[deg.]F liegen.

  

[0023]    Doch in der vorliegenden Erfindung kann das Verdünnungsmittel wie oben beschrieben im Verdünnungsmittelverdichter 520 verdichtet und dann direkt zu Leitungen 510, 512 und 514 kanalisiert werden, um die Kühlung von Turbinenkomponenten in der Gasturbinenanordnung 110 zu ergänzen. Durch Einspritzen des Verdünnungsmittels auf diese Weise sind im Vergleich zu konventionellen Kühlluftstromdrücken niedrigere Drücke erforderlich. Das heisst, die Kühlluft wird konventionell durch Kühlkreise von einzelnen Stellen im Inneren des Hauptluftverdichters 522 für alle Betriebsbedingungen zugeführt, während das Verdünnungsmittel aus dem Verdünnungsmittelverdichter 520 erfindungsgemäss ausgelegt werden kann, um direkt bei den erforderlichen Betriebsdrücken der Turbinenkühlkreise zugeführt zu werden.

   Das Verdünnungsmittel ist typischerweise bei einer viel niedrigeren Temperatur (typischerweise Umgebungstemperatur (¯60[deg.]F)) und bei einem höheren Druck (typischerweise etwa 60 psia) verfügbar, bevor es in den Verdünnungsmittelverdichter 520 eingeleitet wird. Dementsprechend ist die Verdünnungsmittel-Auslasstemperatur bei gleichen Druckbedingungen typischerweise etwa 200[deg.]F bis etwa 500[deg.]F niedriger als die verdichtete Luft aus dem Hauptluftverdichter 522. Zudem erleichtert die Verwendung des erfindungsgemässen' Einspritzverfahrens die Kühlung von Komponenten der Gasturbinenanordnung auf Temperaturen, die kühler sind als die Temperaturen, die mit bekannten Turbinenkühlsystemen erreichbar sind.

   Zum Beispiel werden in einer Ausführungsform die Turbinenkomponenten, die durch die erfindungsgemässen Verfahren gekühlt werden, auf Temperaturen von etwa 400[deg.]F bis etwa 800[deg.]F gekühlt.

  

[0024]    Aufgrund dessen stellt die vorliegende Erfindung verbesserte Verfahren zur Einspritzung von Verdünnungsmitteln in eine Gasturbinenanordnung eines IGCC-Kraftwerk bereit. Das heisst, die Verdünnungsmittel können den Sauerstoffüberschuss (in Form von Stickoxidemissionen) besser vor der Verbrennung aus dem Hauptluftstrom entfernen als konventionelle Verfahren, um Schäden an der Ausrüstung von Gasturbinenordnungen zu verhindern, die in einem IGCC-Kraftwerk verwendet werden. Insbesondere können diese verbesserten Verdünnungsmittel-Einspritzverfahren speziell zur Verwendung in künftigen IGCC-Kraftwerken geeignet sein, in welchen Kohlenstoff aus dem Brennstoff als Kohlendioxid zur Sequestrierung entfernt wird, was zu einem Gasturbinenbrennstoff führt, der viel Wasserstoff reicher ist (z. B. , etwa 50 Volumen-% oder mehr).

   Das heisst, in diesen künftigen Kraftwerken könnte die Einspritzung von Verdünnungsmitteln unter diesen Bedingungen selbst bei einer kleinen Sauerstoffmenge (z. B., kleiner als etwa 0,5 Volumen-%) einen Flammenrückschlag in den Brennkammerkomponenten zur Folge haben. Zudem kann das Verdünnungsmittel als alternatives oder zusätzliches Kühlmittel genutzt werden, um eine leistungsfähigere und wirksamere Kühlung der heissen Turbinenteile von Gasturbinenanordnungen zu gewährleisten.

  

[0025]    In der Beschreibung der Elemente der vorliegenden Erfindung oder bevorzugter Ausführungsformen davon bedeuten die Artikel "ein(e)", "der" und "die", dass ein oder mehrere dieser Elemente vorhanden sind. Die Begriffe"umfassend","einschliesslich" und"mit" sind einschliessend gemeint und bedeuten, dass zusätzliche Elemente zu den aufgelisteten Elementen vorhanden sein können.

  

[0026]    Da diverse Änderungen an den oben Konstruktionen und Verfahren durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, ist alles, was in der obigen Beschreibung enthalten ist und in den beiliegenden Zeichnungen gezeigt wird, in einem veranschaulichenden und nicht in einem einschränkenden Sinne aufzufassen.

Claims (10)

1. Verfahren zur Einspritzung eines Verdünnungsmittels in eine Gasturbinenanordnung (110), wobei dieses Verfahren umfasst:

das Kanalisieren eines Luftstroms in einen ersten Verdichter (522) zur Verdichtung;

das Einspritzen eines Verdünnungsmittels in einen Verdünnungsmittelverdichter (520) zur Verdichtung; und

das Kanalisieren des verdichteten Verdünnungsmittels in einen verdichteten Luftstrom, der aus dem ersten Verdichter austritt, um den Sauerstoffgehalt des verdichteten Luftstroms zu verdünnen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, ausserdem umfassend das Zuführen des verdünnten verdichteten Luftstroms und einer Brennstoffquelle zu einer Brennkammer (500) zur Verbrennung.

3. Verfahren nach Anspruch 2, ausserdem umfassend das Auslassen von Verbrennungsgasen aus der Brennkammer (500) zu einer Gasturbine (114).

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Zuführen des verdünnten verdichteten Luftstroms ausserdem das Zuführen eines Luftstroms zur Brennkammer (500) umfasst, der mindestens etwa 95 Molprozent Stickstoff enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Zuführen des verdünnten verdichteten Luftstroms ausserdem das Zuführen eines Luftstroms zur Brennkammer (500) umfasst, der mindestens eines von Sauerstoff und Argon enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Zuführen des verdünnten verdichteten Luftstroms ausserdem das Zuführen eines Luftstroms zur Brennkammer (500) umfasst, der weniger als 21 Molprozent Sauerstoff enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Zuführen des verdünnten verdichteten Luftstroms ausserdem das Zuführen eines Luftstroms zur Brennkammer (500) umfasst, der etwa 10 Molprozent bis etwa 15 Molprozent Sauerstoff enthält.

8. Verfahren zur Einspritzung eines Verdünnungsmittels in eine Gasturbinenanordnung (110), wobei dieses Verfahren umfasst:

das Einspritzen eines Verdünnungsmittels in einen Luftstrom, um die Verdünnung eines Sauerstoffgehalts des Luftstroms zu erleichtern; und

das Kanalisieren des verdünnten Luftstroms in einen ersten Verdichter (520), um den verdünnten Luftstrom zu verdichten.

9. Verfahren nach Anspruch 8, ausserdem umfassend:

das Auslassen des verdünnten verdichteten Luftstroms aus dem ersten Verdichter (520) zu einer Brennkammer (500); und

das Mischen des verdünnten verdichteten Luftstroms mit einer Brennstoffquelle zur Verbrennung.

10. Verfahren nach Anspruch 9, ausserdem umfassend das Auslassen von Verbrennungsgasen aus der Brennkammer (500) zu einer Gasturbine (114).