CH703750B1 - Brennstoffvorwärmsystem und Anlage mit solchem. - Google Patents

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CH703750B1
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Abstract

Ein Brennstoffvorwärmsystem zum Vorwärmen von Brennstoff zumindest während des Anfahrens einer Anlage mit einem Verbrennungssystem (162) enthält einen isolierten Wasserbehälter (174), der dafür eingerichtet ist, ein erstes erwärmtes Wasser aus einer ersten Anlagenkomponente (176) während des Betriebs der Anlage zu speichern, und einen Wärmetauscher aufweisenden Brennstoffvorwärmer (168), wobei der Wärmetauscher dafür eingerichtet ist, Wärme aus dem ersten erwärmten Wasser an den Brennstoff (170) für das Verbrennungssystem (162) während des Anfahrens der Anlage zu übertragen.

Description

Hintergrund zu der Erfindung
[0001] Der hier beschriebene Erfindungsgegenstand betrifft ein Brennstoffvorwärmsystem zum Vorwärmen von Brennstoff während des Anfahrens einer Anlage mit einem Verbrennungssystem.
[0002] Eine Gasturbine verbrennt ein Gemisch aus Brennstoff und Luft, um heisse Verbrennungsgase zu erzeugen, welche eine oder mehrere Turbinenlaufschaufelstufen zur Rotation bringen. Die Rotation kann wiederum dazu genutzt werden, eine Last, wie z.B. einen elektrischen Generator, zu betreiben. Während des Anfahrens ist es erwünscht, die Gasturbine rasch auf einen Betriebspunkt zu bringen, in welchem ihre Abgasemissionen die bestehenden Vorschriften einhalten. Je schneller die Gasturbine diesen sogenannten «Emissionseinhaltungs»-Betriebspunkt erreicht, desto kleiner ist die Gesamtmenge schädlicher Emissionen. Die Belastungsrate hängt von dem stabilen Betrieb des Brenners der Gasturbine ab, welcher hauptsächlich durch die Brennstofftemperatur beeinflusst wird. In modernen Gasturbinen wird während des normalen Grundlastbetriebs gasförmiger Brennstoff vorgewärmt, um den thermischen Wirkungsgrad zu verbessern. Diese Vorwärmung wird typischerweise durch das aus dem Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator (HRSG) entzogene heisse Speisewasser erzielt.
[0003] Leider ist nach dem Anfahren der Anlage nach einer ausreichend langen Abschaltzeit der HRSG nicht in der Lage, das heisse Wasser zu liefern, das für die Erwärmung des gasförmigen Brennstoffs auf einen für einen stabilen Brennerbetrieb erforderlichen Wert erforderlich ist.
[0004] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Brennstoffvorwärmesystem anzugeben, das in der Lage ist, Brennstoff zumindest während des Anfahrens einer Anlage mit einem Verbrennungssystem vorzuwärmen.
Kurzbeschreibung der Erfindung
[0005] Die Erfindung betrifft ein Brennstoffvorwärmsystem zum Vorwärmen von Brennstoff zumindest während des Anfahrens einer Anlage, die ein Verbrennungssystem umfasst. Das Brennstoffvorwärmsystem umfasst einen isolierten Wasserbehälter, der dafür eingerichtet ist, während des Betriebs der Anlage ein erstes erwärmtes Wasser aus einer ersten Anlagenkomponente zu speichern, und einen Brennstoffvorwärmer mit einem Wärmetauscher, wobei der Wärmetauscher dafür eingerichtet ist, während des Anfahrens der Anlage Wärme aus dem ersten erwärmten Wasser an den Brennstoff für das Verbrennungssystem zu übertragen.
[0006] Die Erfindung betrifft ferner eine Anlage mit einer ersten Anlagekomponente, einem Verbrennungssystem sowie einem erfindungsgemässen Brennstoffvorwärmsystem.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0007] Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich, wenn die nachstehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durchgängig durch die Zeichnungen bezeichnen, wobei: <tb>Fig. 1<SEP>ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Kombinationszyklus-(IGCC)-Kraftwerks mit integrierter Vergasung, die ein System zur Vorwärmung von Brennstoff während des Anfahrens enthält; <tb>Fig. 2<SEP>ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Systems zur Vorwärmung von Brennstoff während des Anfahrens; <tb>Fig. 3<SEP>ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Systems zur Vorwärmung von Brennstoff während des Anfahrens; <tb>Fig. 4<SEP>ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Systems zur Vorwärmung von Brennstoff während des Anfahrens; und <tb>Fig. 5<SEP>ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Systems zur Vorwärmung von Brennstoff während des Anfahrens;
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
[0008] Eine oder mehrere spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend beschrieben. In dem Bemühen, eine knappe Beschreibung dieser Ausführungsformen zu liefern, können nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Implementation in der Patentschrift beschrieben werden. Es dürfte erkennbar sein, dass bei der Entwicklung von jeder derartigen tatsächlichen Implementation, wie bei jedem technischen oder konstruktiven Projekt, zahlreiche implementationsspezifische Entscheidungen getroffen werden müssen, um die spezifischen Ziele des Entwicklers, wie z.B. Übereinstimmung mit systembezogenen und geschäftsbezogenen Einschränkungen zu erreichen, welche von einer Implementation zur anderen variieren können. Ferner dürfte erkennbar sein, dass eine derartige Entwicklungsanstrengung komplex und zeitaufwendig sein kann, aber trotzdem hinsichtlich Auslegung, Herstellung und Fertigung für den normalen Fachmann mit dem Vorteil dieser Offenlegung eine Routineaufgabe wäre.
[0009] Wenn Elemente verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, sollen die Artikel «einer, eines, eine», «der, die, das» und «besagter, besagte, besagtes» die Bedeutung haben, dass eines oder mehrere von den Elementen vorhanden sein können. Die Begriffe «aufweisend», «enthaltend» und «habend» sollen einschliessend sein und die Bedeutung haben, dass zusätzliche weitere Elemente ausser den aufgelisteten Elementen vorhanden sein können.
[0010] Die hier beschriebene Erfindung ist auf ein Brennstoffvorwärmsystem zum Vorwärmen von Brennstoff während des Anfahrens einer Anlage mit einem Verbrennungssystem gerichtet. Beispielsweise können die offengelegten Ausführungsformen zum Vorwärmen von Brennstoff für eine Anlage mit einer Gasturbine während des Anfahrens der Gasturbine und verschiedener Anlagengeräte genutzt werden. Obwohl das Brennstoffvorwärmsystem eine Vielfalt von Anwendungen haben kann, stellt die nachstehende Diskussion das Brennstoffvorwärmsystem in Zusammenhang mit einem(r) Kombinationszyklus-(IGCC)-System oder Anlage mit integrierter Vergasung dar, welche einen Vergaser, ein Gasbehandlungssystem, ein Wärmerückgewinnungs-Dampferzeugungs-(HRSG)-System, eine Dampfturbine und verschiedene zugehörige Anlagengeräte enthält. Während des Normalbetriebs der Anlage speichert das Brennstoffvorwärmsystem ein vorgewärmtes Fluid (z.B. Wasser) in einem isolierten Behälter zur späteren Nutzung als eine Wärmequelle während des Anfahrens. Nach Abschaltung kühlen die Anlage und ihre verschiedenen Geräte ab und beseitigen damit jede potenzielle Wärmequelle zum Vorwärmen des Brennstoffes ausser dem in dem isolierten Behälter gespeicherten erwärmten Fluid. Somit liefert das gespeicherte erwärmte Fluid während des Anfahrens ausreichend Wärmeenergie, um den Brennstoff zur Verbrennung vorzuwärmen, bis die Anlage in der Lage ist, eine sich selbst erhaltende Wärmequelle, ohne das gespeicherte erwärmte Fluid, bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen kann der isolierte Behälter eine Hilfserwärmungsvorrichtung enthalten, die dafür eingerichtet ist, die Temperatur für eine längere Zeitdauer über einem Schwellenwert zu halten, um dadurch Wärmeverluste in dem isolierten Behälter zu reduzieren.
[0011] Fig. 1 ist eine Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemässen Anlage in Form eines Kombinationszyklussystems 100 mit integrierter Vergasung, das die Fähigkeit enthalten kann, den Brennstoff während des Anfahrens des IGCC-Systems 100 vorzuwärmen. Wie nachstehend im Detail diskutiert, enthält das IGCC-System 100 ein Brennstoffvorwärmsystem 101, das dafür eingerichtet ist, Brennstoff während des Normalbetriebs und des Anfahrens des IGCC-Systems 100 vorzuwärmen. Insbesondere kann das Brennstoffvorwärmsystem 100 einen Brennstoffvorwärmer 144 enthalten, welcher Wärme an einen Brennstoff zum Verbessern des Betriebsverhaltens einer Gasturbine 118 übertragen kann. Insbesondere kann der Brennstoffvorwärmer 144 während des Normalbetriebs des IGCC-Systems 100 Wärme aus erwärmtem Anlagenwasser 146 an den Brennstoff übertragen, während der Brennstoffvorwärmer 144 während des Anfahrens des IGCC-Systems 100 Wärme aus einem in einem Wasserbehälter 148 gespeicherten erwärmten Anlagenwasser 150 übertragen kann. Die nachstehende Diskussion des IGCC-Systems 100 stellt einen möglichen Kontext für das Brennstoffvorwärmsystem 101 bereit, obwohl in Betracht zu ziehen ist, dass Ausführungsformen des Brennstoffvorwärmsystems 101 in einer Vielfalt von Anlagen, Einrichtungen und Systemen, die nicht auf das IGCC-System 100 beschränkt sind, verwendet werden können.
[0012] Gemäss Darstellung in Fig. 1 , ist das IGCC-System 100 dafür eingerichtet, ein Ausgangsmaterial oder eine Brennstoffquelle 102 zu vergasen, Dampf- und Gasturbinen anzutreiben und Elektrizität zu erzeugen. Die Brennstoffquelle 102 kann eine Vielfalt kohlenstoffhaltiger Brennstoffe umfassen, wie z.B. Kohle oder Kohlenwasserstoffe in fester oder flüssiger Form. Eine Ausgangsmaterialaufbereitungseinheit 104 kann enthalten sein, um den Brennstoff zur Vergasung aufzubereiten, z.B. durch Mahlen, Zerkleinern und Pulverisieren einer festen Form der Brennstoffquelle 102. Jedoch kann die Ausgangsmaterialaufbereitungseinheit 104 weggelassen sein, wenn die Brennstoffquelle 102 in einer flüssigen Form vorliegt.
[0013] Das Ausgangsmaterial kann aus der Ausgangsmaterialaufbereitungseinheit 104 an einen Vergaser 106 übergeben werden. Der Vergaser 106 kann das Ausgangsmaterial in ein Synthesegas, z.B. eine Kombination von Kohlenmonoxid (C) und Wasserstoff umwandeln. Dieses sich ergebende Gas kann als unbehandeltes Synthesegas bezeichnet werden, da es beispielsweise H2S enthält. Der Vergaser 106 kann auch Abfall, wie z.B. Schlacke 108, verwenden, welche ein nasses Aschematerial sein kann. Ein Gasreiniger 110 kann zum Reinigen des unbehandelten Synthesegases verwendet werden. Der Gasreiniger 110 kann das unbehandelte Synthesegas waschen, um HCl, HF, COS, HCN und H2S aus dem unbehandelten Synthesegas zu entfernen, was die Abscheidung von Schwefel 111 in einer Schwefelverarbeitungseinrichtung 112 beinhalten kann. Ferner kann der Gasreiniger 110 Salze 113 aus dem unbehandelten Synthesegas über eine Wasserbehandlungseinheit 114 abscheiden, die Wasserreinigungstechniken nutzen kann, um nutzbare Salze 113 aus dem unbehandelten Synthesegas zu erzeugen. Anschliessend kann das Gas aus dem Gasreiniger 110 behandeltes Synthesegas (z.B. kann der Schwefel 111 aus dem Synthesegas entfernt sein) mit Spurenanteilen anderer Chemikalien, wie z.B. NH3(Ammoniak) und CH4(Methan), enthalten.
[0014] In einigen Ausführungsformen kann ein CO-Abscheidungssystem 116 das in dem Synthesegas enthaltene kohlenstoffhaltige Gas (z.B. Kohlendioxid mit angenähert 80–100 oder 90–100 Prozent Volumenreinheit) entfernen und verarbeiten. Das behandelte Synthesegas, welches der Entfernung seiner schwefelhaltigen Komponenten und eines grossen Teils seines Kohlendioxids unterzogen wurde, kann dann an einen Brenner 120, z.B. eine Brennkammer einer Gasturbine 118 als verbrennbarer Brennstoff, übertragen werden.
[0015] Das IGCC-System 100 kann ferner eine Lufttrenneinheit (ASU) 122 enthalten. Die ASU 122 kann so arbeiten, dass sie Luft beispielsweise mittels Destillationstechniken in die Komponentengase trennt. Die ASU 122 kann Sauerstoff aus der ihr von einem Hilfsluftverdichter 123 zugeführten Luft abtrennen und die ASU 122 kann den abgetrennten Sauerstoff dem Vergaser 106 zuführen. Zusätzlich kann die ASU 122 den abgetrennten Stickstoff einem Verdünnungsstickstoff-(DGAN)-Verdichter 124 zuführen.
[0016] Der DGAN-Verdichter 124 kann den aus der ASU 122 erhaltenen Stickstoff wenigstens auf Druckwerte ähnlich denen in dem Brenner 120 verdichten, um so nicht die korrekte Verbrennung des Synthesegases zu stören. Somit kann, sobald der DGAN-Verdichter 124 den Stickstoff angemessen auf einen korrekten Wert verdichtet hat, der DGAN-Verdichter 124 den verdichteten Brennstoff an den Brenner 120 der Gasturbine 118 übertragen. Der Stickstoff kann als ein Verdünnungsmittel verwendet werden, um beispielsweise die Steuerung von Emissionen zu ermöglichen.
[0017] Wie vorstehend beschrieben, kann der verdichtete Stickstoff von dem DGAN-Verdichter 124 an den Brenner 120 der Gasturbine 118 übertragen werden. Die Gasturbine 118 kann eine Turbine 130, eine Antriebswelle 131 und einen Verdichter 132 sowie den Brenner 120 enthalten. Der Brenner 120 kann Brennstoff, wie z.B. Synthesegas, aufnehmen, welches unter Druck aus Brennstoffdüsen eingespritzt werden kann. Dieser Brennstoff kann mit verdichteter Luft sowie verdichtetem Stickstoff aus dem DGAN-Verdichter 124 vermischt und in dem Brenner 120 verbrannt werden. Diese Verbrennung kann heisse unter Druck stehende Abgase erzeugen.
[0018] Der Brenner 120 kann die Abgase zu einem Abgasauslass der Turbine 130 leiten. Während die Abgase aus dem Brenner 120 die Turbine 130 passieren, zwingen die heissen Abgase die Turbinenlaufschaufeln in der Turbine 130, sich mit der Antriebswelle 131 entlang einer Achse der Gasturbine 118 zu drehen. Diese Antriebswelle 131 kann die Turbine 130 mit dem Verdichter 132 zur Ausbildung eines Rotors verbinden. Der Verdichter 132 kann mit der Antriebswelle 131 verbundene Laufschaufeln haben. Somit kann die Drehung der Turbinenlaufschaufeln in der Turbine 130 bewirken, dass die Antriebswelle 131, die die Turbine 130 mit dem Verdichter 132 verbindet, die Laufschaufeln in dem Verdichter 132 antreibt. Diese Drehung der Laufschaufeln in dem Verdichter 132 veranlasst den Verdichter 132, über einen Lufteinlass in dem Verdichter 132 erhaltene Luft zu verdichten. Die verdichtete Luft kann dann dem Brenner 120 zugeführt und mit Brennstoff und verdichtetem Stickstoff vermischt werden, um eine effizientere Verbrennung zu ermöglichen. Die Antriebswelle 131 kann auch mit der Last 134 verbunden sein, welche eine stationäre Last sein kann, wie z.B. ein elektrischer Generator zum Erzeugen von elektrischer Energie in einem Kraftwerk. Tatsächlich kann die Last 134 jede beliebige geeignete Vorrichtung sein, die durch die Rotationsenergieabgabe der Gasturbine 118 angetrieben wird.
[0019] Das IGCC-System 100 kann auch eine Dampfturbine 136 und ein Wärmerückgewinnungs-Dampferzeugungs-(HRSG)-System 138 enthalten. Die Dampfturbine 136 kann eine zweite Last 140 antreiben. Die zweite Last 140 kann auch ein elektrischer Generator zum Erzeugen elektrischer Energie sein. Jedoch können sowohl die erste 130 als auch die zweite 140 Last andere Arten von Lasten sein, die durch die Gasturbine 118 und die Dampfturbine 136 angetrieben werden. Zusätzlich können, obwohl die Gasturbine 118 und die Dampfturbine 136 unterschiedliche Lasten 134 und 140 gemäss Darstellung in der Ausführungsform antreiben können, die Gasturbine 118 und die Dampfturbine 136 auch in Tandemanordnung genutzt werden, um nur eine Last über eine Welle anzutreiben. Die spezifische Konfiguration der Dampfturbine 136 sowie der Gasturbine 118 kann implementationsspezifisch sein und jede beliebige Kombination von Abschnitten beinhalten.
[0020] Das System 100 kann auch den HRSG 138 enthalten. Erwärmtes Abgas aus der Gasturbine 118 kann in den HRSG 138 transportiert und zum Erwärmen von Wasser und zum Erzeugen von Dampf verwendet werden, der zum Antreiben der Dampfturbine 136 genutzt wird. Abgas, beispielsweise aus dem Niederdruckabschnitt der Dampfturbine 136, kann in einen Kondensator 142 geleitet werden. Der Kondensator 142 kann einen Kühlturm 128 zum Austausch von erwärmtem Wasser gegen abgekühltes Wasser verwenden. Der Kühlturm 128 hat die Aufgabe, dem Kondensator 142 kühles Wasser zur Unterstützung einer Kondensation des an den Kondensator 142 aus der Dampfturbine 136 gelieferten Dampfes zu liefern. Kondensat aus dem Kondensator 142 kann wiederum in den HRSG 138 geführt werden. Wiederum kann Abgas aus der Gasturbine 118 in den HRSG 138 geführt werden, um das Wasser aus dem Kondensator 142 zu erwärmen und Dampf zu erzeugen.
[0021] In Kombinationszyklussystemen, wie z.B. dem IGCC-System 100, kann heisses Abgas aus der Gasturbine 118 strömen und den HRSG 138 passieren, wo es zum Erzeugen von Hochdruck/Hochtemperatur-Dampf verwendet werden kann. Der durch den HRSG 138 erzeugte Dampf kann dann durch die Dampfturbine 136 zur Energieerzeugung geführt werden. Zusätzlich kann der erzeugte Dampf beliebigen anderen Prozessen zugeführt werden, in welchen der Dampf verwendet werden kann, wie z.B. dem Vergaser 106. Der Erzeugungszyklus der Gasturbine 118 wird oft als der «Vorschaltzyklus» bezeichnet, während der Erzeugungszyklus der Dampfturbine 136 als der «Nachschaltzyklus» bezeichnet wird. Durch Kombinieren dieser zwei Zyklen gemäss Darstellung in Fig. 1 kann das IGCC-System 100 zu grösseren Wirkungsgraden in beiden Zyklen führen. Insbesondere kann Abgaswärme aus dem Vorschaltzyklus erfasst und zum Erzeugen von Dampf zur Verwendung in dem Nachschaltzyklus verwendet werden.
[0022] Wie vorstehend erwähnt, ist, um den Wirkungsgrad der Gasturbine und der Anlage während des Normalbetriebs zu verbessern, das Brennstoffvorwärmsystem 101 dafür eingerichtet, den Brennstoff vor der Verbrennung in der Gasturbine 118 vorzuwärmen. In der dargestellten Ausführungsform erhält die Gasturbine 118 vorgewärmten Brennstoff während des Anfahrens und während des Betriebs. Die erhöhte Brennstofftemperatur erhöht die durch den Brennstoff (d.h., durch den Brennstoffheizwert und die fühlbare Wärme) zugeführte Gesamtenergie und verringert die für eine gegebene Brenneraustrittstemperatur erforderliche Brennstoffmenge. Somit wird für nahezu dieselbe (aufgrund eines geringeren Brennstoffstroms und eines zugehörigen niedrigeren Turbinengasstroms leicht reduzierte) Gasturbinenenergieabgabe weniger Energie verbraucht, was zu einem besseren Wirkungsgrad führt. Es sei angemerkt, dass der verbesserte Wirkungsgrad auch für die Gesamtabgasemissionen nützlich ist, indem die Menge des für eine vorgegebene elektrische Energieabgabe benötigten verbrannten Brennstoffes reduziert wird. Tatsächlich ist die Verbesserung des Anlagenwirkungsgrades der leichteste Weg, schädliche Emissionen aus einer fossile Brennstoffe verbrennenden Energieerzeugungsanlage zu verringern, und in dem Rest der Diskussion sollte es sich verstehen, dass ein verbesserter Wirkungsgrad implizit auch reduzierte Emissionen bedeutet.
[0023] Während des Normalbetriebs erhält die Gasturbine 118 vorgewärmten Brennstoff von dem Brennstoffvorwärmer 144. Der Brennstoffvorwärmer 144 dient als ein Wärmetauscher zwischen erwärmtem Anlagenwasser 146 und dem den Gasreiniger verlassenden Brennstoff. Die Energie zum Erwärmen des erwärmten Anlagenwassers 146 kann aus einer Vielfalt von Anlagenkomponenten, wie z.B. der Vergaser 106, der Gasturbine 118, der Lufttrenneinheit 122, dem Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator 138, den Verdichtern 123 und 124 oder dem Gasreiniger 110 kommen. Auf diese Weise kann kontinuierlich erwärmtes Wasser während des Betriebs des IGCC-Systems 100 erzeugt werden. Nach Abschalten des IGCC-Systems kühlen die Komponenten ab und sind nicht mehr in der Lage, das Anlagenwasser 46 zu erwärmen. Bei dem Anfahren des IGCC-Systems 100 kann sich das Anlagenwasser 146 nicht mehr auf ausreichender Temperatur befinden, um mit dem Erwärmen des Brennstoffs für die Gasturbine 118 zu beginnen. Dieses ist nachteilig für den Wunsch, die Gasturbine so schnell wie möglich anzufahren und sie auf eine Emissionen einhaltende Last zu bringen. Dieses beruht auf dem Umstand, dass ein Gasturbinenbrenner den Brennstoff mit vorgegebener Zusammensetzung und Heizwert bei einer bestimmten Temperatur für einen stabilen Betrieb benötigt. Typischerweise wird diese Anforderung durch den «modifizierten Wobbe-Index» (MWI) bestimmt, welcher ein relatives Mass der Energieeingabe an den Brenner bei einem festen Druckverhältnis ist, und die Fähigkeit des Brennstoffaufbereitungs- und Injektionssystems bestimmt, sich den Schwankungen in der Zusammensetzung und im Heizwert anzupassen. Es gibt einen zulässigen Bereich des MWI, um einen korrekten Betrieb des Brennstoffeinspritzungssystems mit den erforderlichen Brennstoffdüsendruckverhältnissen in allen Betriebsmodi während des Anfahrens sicherzustellen. Somit benötigt, wenn die Brennstofftemperatur so niedrig ist, dass die Schwankung im MWI ausserhalb des zulässigen Bereichs liegt, die Gasturbine im Wesentlichen mehr Zeit, um an den Emissions-Einhaltungs-Lastpunkt anzukommen, während sie auf ausreichend heisses Wasser aus dem HRSG (oder einer anderen Anlagekomponente) wartet, das für die erforderliche Brennstoffvorwärmung erforderlich ist. Dieses hat eine erheblich nachteilige Auswirkung auf die gesamten Anlagenemissionen.
[0024] Um für das IGCC-System 100 den Mangel an warmem Wasser 146 beim Anfahren zu kompensieren, kann der Brennstoffvorwärmer 144 erwärmtes Wasser aus einem isolierten Wasserbehälter 148 erhalten, welcher während des Betriebs des IGCC-Systems 100 eine ausreichende Menge an erwärmtem Wasser speichert. Das erwärmte Wasser in dem Behälter 148 wird dann zum Erwärmen des Brennstoffs genutzt, bis das IGCC-System 100 in der Lage ist, eine sich selbst erhaltende Menge von erwärmtem Wasser 146 bereitzustellen. Beispielsweise kann es wenigstens ca. 10, 20, 30, 60 oder 90 Minuten während des Anfahrens dauern, um die Temperatur des Anlagenwassers 146 auf einen ausreichenden Wert zu bringen, um dem System 100 zu ermöglichen, sich selbst erhaltend erwärmtes Wasser 146 für den Brennstoffvorwärmer 146 zu liefern. Somit kann, abhängig von der erwarteten Anfahrzeit, der Wasserbehälter 148 so bemessen werden, dass er eine ausreichende Menge von erwärmtem Anlagenwasser 150 speichert, um das IGCC-System 100 für wenigstens ca. 10, 20, 30, 60, 90 Minuten oder mehr zu erwärmen.
[0025] Das erwärmte Anlagenwasser 150 kann wie das erwärmte Anlagenwasser 146 aus einer Vielzahl von Anlagenkomponenten (z.B. von Vergaser, Gasturbine, Wärmerückgewinnungs-Dampfgenerator, Lufttrenneinheit, Kessel usw.) während des Normalbetriebs des IGCC-Systems 100 kommen. Wenn das IGCC-System herunterfährt, bleibt das erwärmte Anlagenwasser 150 in dem Wasserbehälter 148. Das IGCC-System 100 gibt während des Anfahrens dann das erwärmte Wasser 150 zum Vorwärmen von Brennstoff in dem Brennstoffvorwärmer 144 frei, bis das System 100 das erforderliche erwärmte Wasser 146 zum Erwärmen des Brennstoffes liefern kann. Gelegentlich kann die Zeit zwischen dem Herunterfahren und Anfahren erheblich sein, was einen erheblichen Temperaturabfall des erwärmten Wassers 150 unter eine Schwellenwerttemperatur ermöglicht, die ausreicht, um den Brennstoff bei dem Anfahren zu erwärmen. Unter diesen Umständen kann ein Wassererwärmer 152 betrieben werden, um die Temperatur des erwärmten Anlagenwassers 150 auf oder über der Schwellenwerttemperatur in dem Wasserbehälter 148 zu halten.
[0026] Fig. 2 ist eine Blockdarstellung eines Erwärmungssystems 160 zum Vorwärmen von Brennstoff während des Normalbetriebs und des Anfahrens eines Verbrennungssystems 162. Ähnlich zu der vorstehenden Diskussion verwendet das Verbrennungssystem 162 (z.B. ein Vergaser, eine Gasturbine, ein Kessel oder ein Ofen) erwärmten Brennstoff, um den Brennstoffdurchsatz zu verringern und den Wirkungsgrad zu verbessern. Während des normalen Anlagenbetriebs kommt die Wärme zum Anheben der Brennstofftemperatur für die Verbrennung aus einem Wärmeübertragungsmedium (z.B. Wasser), das von einer Anlagenkomponente 164 erwärmt wird. Beispielsweise kann die Anlagenkomponente 164 einen Vergaser, ein Gasreinigungs- oder Behandlungssystem, eine Lufttrenneinheit (ASU), einen Verdichter, eine Gasturbine, einen Kessel, einen Ofen oder irgendeine andere Wärmequelle beinhalten. Die Anlagenkomponente 164 verwendet einen Wärmetauscher 166 zum Übertragen von Wärme an das Wärmeübertragungsmedium (z.B. Wasser), welches dann durch einen Brennstoffvorwärmer 168 zum Übertragen von Wärme an einen Brennstoff 170 strömt. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Wärmeübertragungsmedium Wasser, wobei sich jedoch versteht, dass andere Ausführungsformen ein anderes Fluid enthalten können. Der den Brennstoffvorwärmer 168 verlassende Brennstoff 170 ist ein vorgewärmter Brennstoff (d.h., Brennstoff auf einer erhöhten Temperatur), welcher erheblich die unerwünschten Emissionen während der Verbrennung des Brennstoffes 170 in dem Verbrennungssystem 162 reduziert. Das den Brennstoffvorwärmer 168 verlassende Wasser kann dann zu einem Wasserrücklauf 172 wandern, um zu der Anlagenkomponente 164 zum Wiederholen des Prozesses zurückzukehren.
[0027] Wenn die Anlagenkomponente 164 zum ersten Mal gestartet wird, kann sie nicht imstande sein, ausreichend erwärmtes Wasser in dem Wärmetauscher 166 zu erzeugen. Das System 160 löst dieses Problem dadurch, dass es einen isolierten Wasserbehälter 174 enthält, der erwärmtes Wasser für den Brennstoffvorwärmer 168 liefert. Beispielsweise kann der isolierte Wasserbehälter 174 ein Metallgehäuse mit Innen- und/oder Aussenlagen einer Wärmeisolation sein, welche das Volumen für die Speicherung des erwärmten Wassers vollständig einschliessen. Der Wasserbehälter 174 enthält eine ausreichende Menge an erwärmtem Wasser, um den Brennstoff 170 in dem Brennstoffvorwärmer 168 zu erwärmen, bis die Anlagenkomponente 164 in der Lage ist, einen stetigen Strom von erwärmtem Wasser für den Brennstoffvorwärmer 168 zu liefern. Beispielsweise kann der Wasserbehälter 174 ausreichend Wasser zum Erwärmen des Brennstoffes 170 für wenigstens ca. 10, 20, 30, 60 oder 90 Minuten oder mehr in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern des Systems enthalten. Somit erwärmt, während der Wasserbehälter 174 erwärmtes Wasser für den Brennstoffvorwärmer 168 liefert, die Anlagenkomponente 164 allmählich Wasser auf eine ausreichende Temperatur für den Brennstoffvorwärmer 168, um unabhängig von dem Wasserbehälter 174 zu arbeiten. Der Wasserbehälter 174 nimmt erwärmtes Wasser aus einer Anlagenkomponente 176 auf, welche dieselbe oder eine andere Anlagenkomponente 164 des Verbrennungssystems 162 sein kann. Beispielsweise können das Verbrennungssystem 162, die Anlagenkomponente 164 und die Anlagenkomponente 176 alle dieselbe sein. Somit kann das Verbrennungssystem 162 das erwärmte Wasser zum Erwärmen des Brennstoffes 170 in dem Brennstoffvorwärmer 168 während des Normalbetriebs liefern, während es gleichzeitig Wasser für den Wasserbehälter 174 zur Verwendung während des Anfahrvorgangs ebenfalls erwärmt.
[0028] Die Steuerung 180 steuert den Fluss des erwärmten Wassers in dem System während des Normalbetriebs und während des Anfahrens. Beispielsweise schliesst die Steuerung 180 Ventile 182 und 184 und öffnet ein Ventil 186 während des Startvorgangs, um dadurch den Fluss von kaltem Wasser aus der Anlagenkomponente 164 in den Brennstoffvorwärmer 168 und den Wasserbehälter 174 zu blockieren, während gleichzeitig der Fluss des gespeicherten erwärmten Wassers aus dem Wasserbehälter 174 zu dem Brennstoffvorwärmer 168 ermöglicht wird. Somit ist das erwärmte Wasser in dem Wasserbehälter 174 in der Lage, in den Brennstoffvorwärmer 168 einzutreten, wo es den Brennstoff 170 zur Verbrennung in dem Verbrennungssystem 162 erwärmt. Sobald die Anlagenkomponente 164 imstande ist, ausreichend Wasser zu erwärmen, um den Brennstoff 170 zu erwärmen, schliesst die Steuerung 180 dann das Ventil 186 und öffnet das Ventil 182. Wenn das Ventil 182 nun offen ist, kann erwärmtes Wasser aus der Anlagenkomponente 164 Brennstoff 170 in dem Brennstoffvorwärmer 168 vorwärmen. Die Steuerung 180 kann gleichzeitig die Ventile 182 und 184 öffnen, während sie das Ventil 186 schliesst. Auf diese Weise kann das erwärmte Wasser den Brennstoff 170 in dem Brennstoffvorwärmer 168 erwärmen, während es den Wasserbehälter 174 mit erwärmtem Wasser aus der Anlagenkomponente 176 wieder auffüllt. Alternativ kann die Steuerung 180 das Ventil 184 zu einem anderen Zeitpunkt während des Betriebs des Systems 160 öffnen. Beispielsweise kann das Ventil 184 kurz vor dem Abschalten des Systems, z.B. am Ende des Tages, öffnen.
[0029] In bestimmten Ausführungsformen enthält der Wasserbehälter 174 einen Wassererwärmer 188, um Wärmeverluste zu kompensieren. Übermässige Wärmeverluste können während langer Abschaltperioden und/oder im Wasserbehälter 174 auftreten. Somit ist ein Wassererwärmer 188 enthalten, um die Temperatur des Wassers über einer Schwellenwerttemperatur zu halten, oder um möglicherweise die Temperatur des Wassers anzuheben. Die Steuerung 180 führt die Steuerung des Wassererwärmers 188 in Reaktion auf einen oder mehrere Temperatursensoren durch, welche anzeigen, wenn das Wasser in dem Wasserbehälter 174 zusätzliche Energie benötigt.
[0030] In bestimmten Ausführungsformen kann das System 160 eine Pumpe 190 enthalten, um die Zirkulation des erwärmten Wassers aus dem Behälter 174 durch den Brennstoffvorwärmer 168 zu ermöglichen. Beispielsweise kann die Steuerung 180 die Pumpe 190 ständig während des Anfahrens betreiben oder die Steuerung 180 kann die Pumpe 190 betreiben, nachdem der Wasserdruck in dem Wasserbehälter 174 unter einen Schwellenwertdruck fällt. Beispielsweise kann die Steuerung 180, wenn ein Prozentsatz des Wassers in dem Behälter 174 austritt und durch den Brennstoffvorwärmer 168 strömt, die Pumpe 190 auslösen, um den Druck zum Aufrechterhalten eines geeigneten Flusses des Wassers aus dem Behälter 174 durch den Brennstoffvorwärmer 168 zu erhöhen.
[0031] Fig. 3 ist eine Blockdarstellung eines Wassererwärmungssystems 200 zum Vorwärmen von Brennstoff während des Normalbetriebs und des Anfahrens eines Verbrennungssystems 202. Ähnlich zu der vorstehenden Diskussion verwendet das Verbrennungssystem 202 (z.B. ein Vergaser, eine Gasturbine, ein Kessel oder ein Ofen) vorgewärmten Brennstoff, um den Brennstoffdurchsatz zu verringern und den Wirkungsgrad zu verbessern. Während des normalen Anlagenbetriebs kommt die Wärme zum Erhöhen der Brennstofftemperatur für die Verbrennung aus einem Wärmeübertragungsmedium (z.B. erwärmtem Anlagenwasser 204). Das erwärmte Anlagenwasser 204 strömt durch einen Brennstoffvorwärmer 206, um Wärme an einen Brennstoff 208 zu übertragen. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Wärmeübertragungsmedium Wasser, wobei sich jedoch verstehen dürfte, dass andere Ausführungsformen ein anderes Fluid enthalten können. Der den Brennstoffvorwärmer 206 verlassende Brennstoff 208 ist vorgewärmter Brennstoff (z.B. Brennstoff auf einer erhöhten Temperatur), was erheblich die unerwünschten Emissionen während der Verbrennung des Brennstoffs 208 in dem Verbrennungssystem 202 reduziert. Das den Brennstoffvorwärmer 206 verlassende Wasser kann dann zu einem Wasserrücklauf 210 zur Rückkehr zu einem Prozessstrom in der Anlage wandern.
[0032] Während des Anfahrens des Verbrennungssystems 202 kann das Anlagenwasser 204 nicht ausreichend erwärmt sein, um die Erwärmung für den Brennstoff 208 sicherzustellen. Das System 200 löst dieses Problem, indem es einen isolierten Wasserbehälter 212 enthält, der erwärmtes Wasser für den Brennstoffvorwärmer 206 liefert. Beispielsweise kann der isolierte Wasserbehälter 212 ein Metallbehälter mit Innen- und/oder Aussenlagen einer Wärmeisolation sein, die beispielsweise vollständig ein Volumen zum Speichern des erwärmten Wassers umschliesst. Der Wasserbehälter 212 enthält eine ausreichende Menge an erwärmtem Wasser, um den Brennstoff 208 in dem Brennstoffvorwärmer 206 zu erwärmen, bis das Anlagenwasser 204 ausreichend erwärmt ist, um den Brennstoff 208 ohne das in dem Behälter 212 gespeicherte Wasser vorzuerwärmen. Beispielsweise kann der Wasserbehälter 212 ausreichend Wasser zum Erwärmen des Brennstoffes 208 für wenigstens angenähert 10, 20, 30, 60 oder 90 Minuten oder mehr in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern des Systems enthalten. Somit erhöht, während der Wasserbehälter 212 erwärmtes Wasser für den Brennstoffvorwärmer 206 liefert, sich das Anlagenwasser 204 allmählich in der Temperatur in Reaktion auf Zunahmen in den Betriebstemperaturen der Anlagenkomponenten und/oder des Verbrennungssystems 202. Schliesslich überträgt der Brennstoffvorwärmer 206 Wärme an den Brennstoff 208 aus dem erwärmten Anlagenwasser 204 anstelle des in dem Wasserbehälter 212 gespeicherten Wassers. An diesem Punkt oder später kann der Wasserbehälter 212 mit erwärmtem Anlagenwasser 214 wieder aufgefüllt werden. Das erwärmte Anlagenwasser 204 und 214 können dasselbe oder voneinander unterschiedlich sein. In jedem Falle können die erwärmten Anlagenwasser 204 und 214 von einem Vergaser, einem Gasreinigungs- oder Behandlungssystem, einer Lufttrenneinheit (ASU), einem Verdichter, einer Gasturbine, einem Kessel, einem Ofen oder irgendeiner anderen Wärmequelle stammen. Beispielsweise kann das erwärmte Anlagenwasser 204 und 214 von dem Verbrennungssystem 202 stammen. Somit kann das Verbrennungssystem 202 das erwärmte Wasser zum Erwärmen des Brennstoffes 208 in dem Brennstoffvorwärmer 208 während des Normalbetriebs liefern, während es auch Wasser für den Wasserbehälter 212 zur Verwendung während des Anfahrens erwärmt. Zusätzlich oder alternativ kann der Wasserbehälter 212 erwärmtes Hilfswasser 216 alleine oder in Kombination mit dem erwärmten Anlagenwasser 214 erhalten. Das erwärmte Hilfswasser 216 kann von einer Vielfalt von Quellen, wie z.B. einem externen Solarwärmekollektor, einer entfernten Wärmequelle oder einer unabhängigen Anlagenkomponente stammen.
[0033] Die Steuerung 218 steuert den Fluss des erwärmten Wassers in dem System während des Normalbetriebs und während des Anfahrens. Beispielsweise schliesst die Steuerung 218 die Ventile 220, 222 und 224 und öffnet das Ventil 226 während des Anfahrens, um dadurch den Fluss von kaltem Wasser 214, 216 und 204 in den Brennstoffvorwärmer 206 und den Wasserbehälter 212 zu blockieren, während der Fluss von gespeichertem erwärmtem Wasser aus dem Wasserbehälter 212 zu dem Brennstoffvorwärmer 206 freigegeben wird. Somit ist das erwärmte Wasser in dem Behälter 212 imstande, in den Brennstoffvorwärmer 206 einzutreten, wo es den Brennstoff 208 zur Verbrennung in dem Verbrennungssystem 202 erwärmt. Sobald das Anlagenwasser 204 in der Temperatur ausreichend zum Erwärmen des Brennstoffs 208 angehoben ist, schliesst dann die Steuerung 218 das Ventil 226 und öffnet das Ventil 224. Mit dem nun offenen Ventil 224 kann das erwärmte Anlagenwasser 204 den Brennstoff 208 in dem Brennstoffvorwärmer 206 erwärmen. Die Steuerung 218 kann gleichzeitig die Ventile 220 und/oder 222 während der Schliessung des Ventils 226 öffnen. Auf diese Weise kann erwärmtes Wasser 204 den Brennstoff 204 in dem Brennstoffvorwärmer 206 erwärmen, während erwärmtes Wasser 214 und/oder 216 den Wasserbehälter 212 für eine anschliessende Nutzung während eines anderen Startvorgangs wieder auffüllt. Alternativ kann die Steuerung 218 die Ventile 214 und/oder 216 zu einem anderen Zeitpunkt während des Betriebs des Systems 200 öffnen. Beispielsweise können die Ventile 214 und/oder 216 kurz vor einer Abschaltung des Systems (z.B. am Ende des Tages) geöffnet werden.
[0034] In bestimmten Ausführungsformen enthält der Wasserbehälter 212 einen Wassererwärmer 228, um Wärmeverluste zu kompensieren. Übermässige Wärmeverluste können während langer Abschaltperioden auftreten. Somit ist ein Wassererwärmer 228 enthalten, um die Temperatur des Wassers über einer Schwellenwerttemperatur zu halten, oder um möglicherweise die Temperatur des Wassers anzuheben. Die Steuerung 218 führt die Steuerung des Wassererwärmers 228 in Reaktion auf einen oder mehrere Temperatursensoren durch, welche anzeigen, wenn das Wasser in dem Wasserbehälter 212 zusätzliche Energie benötigt.
[0035] In bestimmten Ausführungsformen enthält das System 200 eine Pumpe 230, um die Zirkulation des erwärmten Wassers aus dem Behälter 212 durch den Brennstoffvorwärmer 206 zu ermöglichen. Beispielsweise kann die Steuerung 218 die Pumpe 230 ständig während des Anfahrens betreiben oder die Steuerung 218 kann die Pumpe 230 betreiben, nachdem der Wasserdruck in dem Wasserbehälter 212 unter einen Schwellenwertdruck fällt. Beispielsweise kann die Steuerung 218, wenn ein Prozentsatz des Wassers in dem Behälter 212 austritt und durch den Brennstoffvorwärmer 206 strömt, die Pumpe 230 auslösen, um den Druck zum Aufrechterhalten eines geeigneten Flusses des Wassers aus dem Behälter 212 durch den Brennstoffvorwärmer 206 zu erhöhen.
[0036] Fig. 4 ist eine Blockdarstellung eines Wassererwärmungssystems 240 zum Vorwärmen von Brennstoff während eines Normalbetriebs und während des Anfahrens eines Verbrennungssystems 242. Ähnlich zu der vorstehenden Diskussion nutzt das Verbrennungssystem 242 (z.B. ein Vergaser, eine Gasturbine, ein Kessel oder ein Ofen) erwärmten Brennstoff zum Reduzieren des Brennstoffdurchsatzes und zum Verbessern des Wirkungsgrades. Während des normalen Anlagenbetriebes kommt die Wärme zum Erhöhen der Brennstofftemperatur für die Verbrennung von einem Wärmeübertragungsmedium (z.B. Wasser), das von einer Anlagenkomponente 244 erwärmt wird. Beispielsweise kann die Anlagenkomponente 244 einen Vergaser, ein Gasreinigungs- oder Behandlungssystem, eine Luftabscheidungseinheit (ASU), einen Verdichter, eine Gasturbine, einen Kessel, einen Ofen oder irgendeine andere Wärmequelle beinhalten. Die Anlagenkomponente 244 nutzt einen Wärmetauscher 246, um Wärme an das Wärmeübertragungsmedium (z.B. Wasser) zu übertragen, welches dann durch den Brennstoffvorwärmer 248 strömt, um Wärme an einen Brennstoff 250 zu übertragen. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Wärmeübertragungsmedium Wasser, wobei sich verstehen dürfte, dass weitere Ausführungsformen ein unterschiedliches Fluid enthalten können. Der den Brennstoffvorwärmer 248 verlassende Brennstoff 250 ist ein vorgewärmter Brennstoff (z.B. Brennstoff auf einer erhöhten Temperatur), welcher an das Verbrennungssystem 242 geliefert wird. Das den Brennstoffvorwärmer 248 verlassende Wasser kann dann zu einem Wasserrücklauf 252 wandern, um zu der Anlagenkomponente 244 zum Wiederholen des Prozesses zurückzukehren.
[0037] Wenn die Anlagenkomponente 244 zum ersten Mal gestartet wird, kann sie nicht imstande sein, ausreichend erwärmtes Wasser in dem Wärmetauscher 246 zu erzeugen. Das System 240 löst dieses Problem dadurch, dass es einen isolierten Wasserbehälter 254 enthält, der erwärmtes Wasser für den Brennstoffvorwärmer 248 liefert. Beispielsweise kann der isolierte Wasserbehälter 254 ein Metallgehäuse mit Innen- und/oder Aussenlagen einer Wärmeisolation sein, welche das Volumen für die Speicherung des erwärmten Wassers vollständig einschliessen. Der Wasserbehälter 254 enthält eine ausreichende Menge an erwärmtem Wasser, um den Brennstoff 250 in dem Brennstoffvorwärmer 248 zu erwärmen, bis die Anlagenkomponente 244 in der Lage ist, einen stetigen Strom von erwärmtem Wasser für den Brennstoffvorwärmer 248 zu liefern. Beispielsweise kann der Wasserbehälter 254 ausreichend Wasser zum Erwärmen des Brennstoffes 250 für wenigstens ca. 10, 20, 30, 60 oder 90 Minuten oder mehr in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern des Systems enthalten. Somit erwärmt, während der Wasserbehälter 254 erwärmtes Wasser für den Brennstoffvorwärmer 248 liefert, die Anlagenkomponente 244 allmählich Wasser auf eine ausreichende Temperatur für den Brennstoffvorwärmer 248, um unabhängig von dem Wasserbehälter 254 zu arbeiten.
[0038] In der dargestellten Ausführungsform liefert eine Wasserzuführung 256 Wasser an den Wasserbehälter 254, welcher eine Vielfalt von Erwärmungssystemen enthält, um zusammen oder unabhängig das Wasser in dem Behälter 254 zu erwärmen. Beispielsweise können die Erwärmungssysteme einen Wassererwärmer 258 (z.B. ein elektrisches Heizelement), das in dem Wasserbehälter 254 angeordnet ist, eine Anlagenkomponente 260 ausserhalb des Wasserbehälters 254 und einen thermischen Solarkollektor 262 ausserhalb des Wasserbehälters 254 enthalten. Die Anlagenkomponente 260 und der thermische Solarkollektor 262 können Wärme an das Wasser in dem Wasserbehälter 254 über entsprechende Wärmetauscher 264 und 266 übertragen. Ein Arbeitsfluid transportiert die Energie aus der Anlagenkomponente 260 und dem thermischen Solarkollektor 262 zu den entsprechenden Wärmetauschern 264 und 266. Beispiele möglicher Arbeitsfluide umfassen Wasser, Öl, Lösungsmittel oder andere geeignete Wärmetauschfluide. In einigen Ausführungsformen arbeiten Pumpen 268 und 270 mit Einwegventilen 272 und 274 (z.B. Rückschlagventilen), um die Arbeitsfluide durch die Wärmetauscher 264 und 266 fliessen zu lassen. Auf diese Weise zirkuliert das Arbeitsfluid zwischen der Anlagenkomponente 260, dem thermischen Solarkollektor 262 und dessen entsprechenden Wärmetauschern 264 und 266.
[0039] Die Steuerung 276 steuert den Fluss des erwärmten Wassers in dem System während des Normalbetriebs und während des Anfahrens. Beispielsweise öffnet die Steuerung 276 ein Ventil 282 und schliesst ein Ventil 278 während des Startvorgangs, um dadurch den Fluss von kaltem Wasser aus der Anlagenkomponente 244 in den Brennstoffvorwärmer 248 und den Wasserbehälter 254 zu blockieren, während gleichzeitig der Fluss des gespeicherten warmen Wassers aus dem Wasserbehälter 254 zu dem Brennstoffvorwärmer 248 freigegeben wird. Somit kann das erwärmte Wasser in dem Wasserbehälter 254 in den Brennstoffvorwärmer 248 eintreten, wobei es den Brennstoff 250 zur Verbrennung in dem Verbrennungssystem 242 erwärmt. In bestimmten Ausführungsformen kann die Steuerung 276 die Pumpe 284 betätigen, während sie das Ventil 282 öffnet, um einen ausreichenden Fluss des erwärmten Wassers durch den Brennstoffvorwärmer 248 sicherzustellen. Sobald der Wärmetauscher 246 ausreichend Wärme aus der Anlagenkomponente 244 an das Wasser nach dem Anfahren liefert, schliesst dann die Steuerung 276 das Ventil 282 und öffnet das Ventil 278. Mit dem nun offenen Ventil 278 kann erwärmtes Wasser aus dem Wärmetauscher 246 Brennstoff 250 in dem Brennstoffvorwärmer 248 erwärmen. Die Steuerung 276 kann gleichzeitig das Ventil 280 öffnen, die Pumpen 268 und/oder 270 betreiben und das Ventil 282 schliessen, um den Wasserbehälter 254 wieder mit erwärmtem Wasser zu befüllen. Insbesondere können, nachdem ausreichend Wasser in den Wasserbehälter 256 eintritt und diesen füllt, die Anlagenkomponente 260 und/oder der thermische Solarkollektor 266 Wärme an entsprechende Arbeitsfluide übertragen, welche dann durch die Wärmetauscher 246 und 266 zirkulieren, um die Temperatur des Wassers in dem Behälter 254 zu erhöhen. In bestimmten Ausführungsformen kann der Wassererwärmer 258 alleine oder in Kombination mit den Wärmetauschern 264 und 266 verwendet werden, um die Temperatur des Wassers in dem Behälter 254 zu erhöhen. Mit anderen Worten, das Wasser in dem Behälter 254 kann mit dem Wärmetauscher 264 erwärmt werden, während der Wärmetauscher 266 ein Arbeitsfluid mit dem thermischen Solarkollektor 266, dem Wassererwärmer 258 in dem Behälter 254 oder irgendeiner Kombination davon austauscht.
[0040] In bestimmten Ausführungsformen kann die Steuerung 276 dafür eingerichtet sein, die Pumpe 270 zu aktivieren, um Wärme aus dem thermischen Solarkollektor 262 während sonnigen Wetters oder Zeiten ausreichenden Sonnenlichtes zu sammeln, während die Steuerung 276 die Pumpe 270 deaktiviert, wenn der thermische Solarkollektor 262 nicht in der Lage ist, ausreichend Wärme, z.B. während der Nacht oder Zeiten unzureichenden Sonnenlichtes (z.B. wolkigen Tagen), zu sammeln. Ebenso kann die Steuerung 276 dafür eingerichtet sein, die Pumpe 268 während Betriebsperioden der Anlagenkomponente 260 zu aktivieren, wenn ausreichend Wärme zur Verfügung steht, um das Wasser in dem Behälter 254 zu erwärmen, während die Steuerung 276 die Pumpe 268 deaktiviert, wenn die Anlagenkomponente 260 nicht arbeitet oder nicht ausreichend Wärme zum Anheben der Temperatur des Wassers in dem Behälter 254 liefert. In jedem Falle lassen die entsprechenden Pumpen 268 und/oder 270 das Arbeitsfluid weiter zirkulieren, bis die Steuerung 276 misst, dass das Wasser eine Schwellenwerttemperatur erreicht oder überschritten hat. Wenn das Wasser die Schwellenwerttemperatur erreicht, signalisiert die Steuerung 276 den Pumpen 268 und/oder 270, die Zirkulation des Arbeitsfluids zu beenden. Nachdem das Wasser die Schwellenwerttemperatur erreicht und die Pumpen 268 und 270 abgeschaltet wurden, kann der Wassererwärmer 258 verwendet werden, um die Wassertemperatur aufrechtzuerhalten, wenn die Anlagenkomponente 260 nicht läuft, und wenn der thermische Solarkollektor 262 keine Energie liefern kann (z.B. nachts, während wolkiger Tage usw.). Mit anderen Worten, die Steuerung 276 kann die Erwärmungssysteme priorisieren, um den Energieverbrauch zu minimieren, z.B. kann der thermische Solarkollektor 262 die erste Priorität haben, die zweite Priorität kann die Anlagenkomponente 260 haben und die dritte Priorität kann der Wassererwärmer 258 haben. Jedoch können zwei oder drei von diesen Erwärmungssystemen in Kombination verwendet werden, um die Geschwindigkeit der Erwärmung des Wassers in dem Behälter 254 zu erhöhen.
[0041] Fig. 5 ist eine Blockdarstellung eines Anfahrsystems 300 mit Brennstoffvorwärmung gemäss einer Ausführungsform. In der vorliegenden Ausführungsform kann das Anfahrsystem 300 mit Brennstoffvorwärmung Brennstoff für unterschiedliche Verbrennungssubsysteme 302, 304, 306, 308, 310 und 312 vorwärmen. Jedes von diesen Verbrennungssubsystemen 302–310 enthält ein entsprechendes Ventil 314, 316, 318, 320, 322 und 324. Jedes von diesen Ventilen ermöglicht den Eintritt von erwärmtem Wasser in ein entsprechendes Verbrennungssubsystem 302–310 zum Vorwärmen eines Brennstoffs. Die Verbrennungssubsysteme 302–310 enthalten ferner entsprechende Pumpen 326, 328, 330, 332, 334 und 336, die erwärmtes Wasser in den Subsystemen 302–310 bewegen. Jedes Verbrennungssubsystem 302–310 enthält eine Brennstoffquelle 338, 340, 342, 344, 346 und 348. Obwohl es in den vorliegenden Ausführungsformen getrennte Brennstoffquellen gibt, kann jedes von den Verbrennungssubsystemen 302–310 Brennstoff aus derselben Brennstoffquelle erhalten. Jedes Verbrennungssubsystem 302–310 enthält ferner Brennstoffvorwärmer 350, 352, 354, 356, 358 und 360, welche Wärme aus dem erwärmten Wasser an den Brennstoff 338–360 übertragen. Auf diese Weise erwärmt sich der Brennstoff vor der Verbrennung, was den Wirkungsgrad verbessert und Emissionen reduziert. Schliesslich enthält jedes von den Verbrennungssubsystemen 302–310 eine Verbrennungsvorrichtung, die den erwärmten Brennstoff verbrennt. In der vorliegenden Ausführungsform enthalten die Verbrennungssubsysteme 302 und 304 Gasturbinen 362 und 364; das Verbrennungssubsystem 306 enthält eine Verbrennungsturbine 366; das Verbrennungssubsystem 308 enthält einen Vergaser 308; das Verbrennungssubsystem 310 enthält einen Kessel; und das Verbrennungssubsystem 312 enthält eine andere Art von Anlagenkomponente 372.
[0042] Wie vorstehend erläutert, kann erwärmtes Wasser während des Anfahrens nicht zur Verfügung stehen, und somit kann ein isolierter Wasserbehälter 374 zum Speichern von erwärmtem Wasser mit einbezogen sein. Der Wasserbehälter 374 speichert erwärmtes Wasser aus einer Vielzahl von Quellen, wie z.B. einer Anlagenkomponente 376 oder einer Hilfswärmequelle 378. Die Anlagenkomponente 376 kann eine von den Verbrennungseinrichtungen 362–372 oder irgendeine Kombination davon enthalten. Ferner kann die Anlagenkomponente 376 Gasreinigungs- oder Behandlungssysteme, einen Verdichter, eine Lufttrenneinheit (ASU) oder eine beliebige Kombination davon enthalten. Die Anlagenkomponente 376 tauscht mit in den Wasserbehälter eintretendem Wasser Wärme über einen Wärmetauscher 380 aus. Die Hilfswärmequelle 378 kann erwärmtes Wasser für den Wasserbehälter 374 über eine Vielfalt von Quellen, wie z.B. einen externen thermischen Solarkollektor, eine entfernte Wärmequelle oder eine unabhängige Anlagenkomponente liefern.
[0043] Die Steuerung 382 ermittelt, wenn erwärmtes Wasser aus der Anlagenkomponente 376 und/oder der Hilfswärmequelle 378 in den Behälter eintritt, indem sie die Ventile 384 und 386 steuert. Auf diese Weise legt die Steuerung 382 fest, ob erwärmtes Wasser aus der Anlagenkomponente 376 und/oder aus der Hilfswärmequelle 378 abhängig von den Anforderungen des Systems 300 und der Verfügbarkeit von Wärme eingelassen wird. Sobald der Wasserbehälter 374 mit erwärmtem Wasser gefüllt ist, kann die Steuerung 382 Ventile 384 und 386 schliessen, bis wieder erwärmtes Wasser in dem Wasserbehälter 374 benötigt wird. Wenn die Verbrennungssubsysteme 302–312 starten, öffnet die Steuerung 382 das entsprechende Ventil 314–324. Die offenen Ventile 314–324 ermöglichen dann, dass Wasser aus dem Wasserbehälter 374 Brennstoff 338–348 in dem entsprechenden Brennstoffvorwärmer 350–360 vorwärmt.
[0044] In bestimmten Ausführungsformen enthält der Wasserbehälter 374 einen Wassererwärmer 388, um Wärmeverluste zu kompensieren. Zu hohe Wärmeverluste können während langer Abschaltzeiten und/oder entstehen, wenn sich das Wasser im Tank 374 befindet. Somit ist ein Wassererwärmer 388 enthalten, um die Temperatur des Wassers über einer Schwellenwerttemperatur zu halten oder möglicherweise die Temperatur des Wassers zu erhöhen. Die Steuerung 382 führt die Steuerung des Wassererwärmers 388 in Reaktion auf eine oder mehrere Temperatursensoren durch, welche anzeigen, wenn das Wasser in dem Wasserbehälter 374 zusätzliche Energie benötigt.
[0045] Technische Auswirkungen der Erfindung beinhalten die Fähigkeit, einen Brennstoff während des Anfahrens eines Verbrennungssystems (z.B. einer Gasturbine, Vergaser, Kessels usw.) vorzuwärmen. Insbesondere speichern die offengelegten Ausführungsformen während des Betriebs einer Anlage oder Komponente erzeugte Energie dergestalt, dass die Energie nicht verschwendet, sondern stattdessen für eine spätere Nutzung während des Anfahrens des Verbrennungssystems gespeichert wird. Insbesondere wird die während des Betriebs erzeugte Wärme in einem Wärmeübertragungsmedium, wie z.B. Wasser, in einem isolierten Speicherbehälter gespeichert. Somit wird die Speicherung von Wärme, die ansonsten nach dem Abschalten verloren geht, während des Anfahrens genutzt, um dadurch erheblich die Kosten in Verbindung mit der Brennstoffvorwärmung während des Anfahrens zu reduzieren. Ferner kann die gespeicherte Wärme erheblich das Betriebsverhalten der Brennstoffvorerwärmung während des Anfahrens verbessern, da die Wärme leicht aus dem isolierten Speicherbehälter verfügbar ist.
[0046] Diese Beschreibung nutzt Beispiele, um die Erfindung einschliesslich der besten Ausführungsart offenzulegen, und um auch jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung einschliesslich der Herstellung und Nutzung aller Elemente und Systeme und der Durchführung aller einbezogenen Verfahren in die Praxis umzusetzen.
[0047] Ein Brennstoffvorwärmsystem zum Vorwärmen von Brennstoff zumindest während des Anfahrens einer Anlage mit einem Verbrennungssystem 162 enthält einen isolierten Wasserbehälter 174, der dafür eingerichtet ist, ein erstes erwärmtes Wasser aus einer ersten Anlagenkomponente 176 während des Betriebs der Anlage zu speichern, und einen Wärmetauscher aufweisenden Brennstoffvorwärmer 168, wobei der Wärmetauscher dafür eingerichtet ist, Wärme aus dem ersten erwärmten Wasser an den Brennstoff 170 für das Verbrennungssystems 162 während des Anfahrens der Anlage zu übertragen.
Bezugszeichenliste
[0048] <tb>100<SEP>Kombinationszyklussystem <tb>101<SEP>Brennstofferwärmungssystem <tb>102<SEP>Brennstoffquelle <tb>104<SEP>Ausgangsmaterial-Aufbereitungseinheit <tb>106<SEP>Vergaser <tb>108<SEP>Schlacke <tb>110<SEP>Gasreiniger <tb>111<SEP>Schwefel <tb>112<SEP>Schwefelprozessor <tb>113<SEP>Salze <tb>114<SEP>Wasserbehandlungseinheit <tb>116<SEP>CO-Erfassungssystem <tb>118<SEP>Gasturbine <tb>120<SEP>Brenner <tb>122<SEP>ASU (Lufttrenneinheit) <tb>123<SEP>zusätzlicher Luftverdichter <tb>124<SEP>DGAN-Verdichter <tb>128<SEP>Kühlturm <tb>130<SEP>Turbine <tb>131<SEP>Antriebswelle <tb>132<SEP>Verdichter <tb>134<SEP>Last <tb>136<SEP>Dampfturbine <tb>138<SEP>HRSG-System <tb>140<SEP>zweite Last <tb>142<SEP>Kondensator <tb>144<SEP>Brennstoffvorwärmer <tb>146<SEP>erwärmtes Anlagenwasser <tb>148<SEP>Wasserbehälter <tb>150<SEP>erwärmtes Anlagenwasser <tb>152<SEP>Wassererwärmer <tb>160<SEP>Erwärmungssystem <tb>162<SEP>Verbrennungssystem <tb>164<SEP>Anlagenkomponente <tb>166<SEP>Wärmetauscher <tb>168<SEP>Brennstoffvorwärmer <tb>170<SEP>Brennstoff <tb>172<SEP>Wasserrücklauf <tb>174<SEP>isolierter Wasserbehälter <tb>176<SEP>Anlagenkomponente <tb>180<SEP>Steuerung <tb>182<SEP>Ventil <tb>184<SEP>Ventil <tb>186<SEP>Ventil <tb>188<SEP>Wassererwärmer <tb>190<SEP>Pumpe <tb>200<SEP>Wassererwärmungssystem <tb>202<SEP>Verbrennungssystem <tb>204<SEP>erwärmtes Anlagenwasser <tb>206<SEP>Brennstoffvorwärmer <tb>208<SEP>Brennstoff <tb>210<SEP>Wasserrücklauf <tb>212<SEP>isolierter Wasserbehälter <tb>214<SEP>erwärmtes Anlagenwasser <tb>216<SEP>erwärmtes Hilfswasser <tb>218<SEP>Steuerung <tb>220<SEP>Ventil <tb>222<SEP>Ventil <tb>224<SEP>Ventil <tb>226<SEP>Ventil <tb>228<SEP>Wassererwärmer <tb>230<SEP>Pumpe <tb>240<SEP>Wassererwärmungssystem <tb>242<SEP>Verbrennungssystem <tb>244<SEP>Anlagenkomponente <tb>246<SEP>Wärmetauscher <tb>248<SEP>Brennstoffvorwärmer <tb>250<SEP>Brennstoff <tb>252<SEP>Wasserrücklauf <tb>254<SEP>isolierter Wasserbehälter <tb>256<SEP>Wasserzufuhr <tb>258<SEP>Wassererwärmer <tb>260<SEP>Anlagenkomponente <tb>262<SEP>thermischer Solarkollektor <tb>264<SEP>Wärmetauscher <tb>266<SEP>Wärmetauscher <tb>268<SEP>Pumpe <tb>270<SEP>Pumpe <tb>272<SEP>Einwegventil <tb>274<SEP>Einwegventil <tb>276<SEP>Steuerung <tb>278<SEP>Ventil <tb>280<SEP>Ventil <tb>282<SEP>Ventil <tb>284<SEP>Pumpe <tb>300<SEP>Anfahrsystem mit Brennstoffvorwärmung <tb>302<SEP>Verbrennungssubsystem <tb>304<SEP>Verbrennungssubsystem <tb>306<SEP>Verbrennungssubsystem <tb>308<SEP>Verbrennungssubsystem <tb>310<SEP>Verbrennungssubsystem <tb>312<SEP>Verbrennungssubsystem <tb>314<SEP>Ventil <tb>316<SEP>Ventil <tb>318<SEP>Ventil <tb>320<SEP>Ventil <tb>322<SEP>Ventil <tb>324<SEP>Ventil <tb>326<SEP>Pumpe <tb>328<SEP>Pumpe <tb>330<SEP>Pumpe <tb>332<SEP>Pumpe <tb>334<SEP>Pumpe <tb>336<SEP>Pumpe <tb>338<SEP>Brennstoffquelle <tb>340<SEP>Brennstoffquelle <tb>342<SEP>Brennstoffquelle <tb>344<SEP>Brennstoffquelle <tb>346<SEP>Brennstoffquelle <tb>346<SEP>Brennstoffquelle <tb>350<SEP>Brennstoffvorwärmer <tb>352<SEP>Brennstoffvorwärmer <tb>354<SEP>Brennstoffvorwärmer <tb>356<SEP>Brennstoffvorwärmer <tb>358<SEP>Brennstoffvorwärmer <tb>360<SEP>Brennstoffvorwärmer <tb>362<SEP>Gasturbine <tb>364<SEP>Gasturbine <tb>366<SEP>Verbrennungsmaschine <tb>372<SEP>Anlagenkomponente <tb>374<SEP>isolierter Wasserbehälter <tb>376<SEP>Anlagenkomponente <tb>378<SEP>Hilfswärmequelle <tb>380<SEP>Wärmetauscher <tb>382<SEP>Steuerung <tb>384<SEP>Ventil <tb>386<SEP>Ventil <tb>388<SEP>Wassererwärmer

Claims (10)

1. Brennstoffvorwärmsystem zum Vorwärmen von Brennstoff zumindest während des Anfahrens einer Anlage, die ein Verbrennungssystem (162) umfasst, wobei das Brennstoffvorwärmsystem aufweist: einen isolierten Wasserbehälter (174), der dafür eingerichtet ist, während des Betriebs der Anlage ein erstes erwärmtes Wasser aus einer ersten Anlagenkomponente (176) zu speichern; und einen Brennstoffvorwärmer (168) mit einem Wärmetauscher (168), wobei der Wärmetauscher (168) dafür eingerichtet ist, während des Anfahrens der Anlage Wärme aus dem ersten erwärmten Wasser an den Brennstoff (170) für das Verbrennungssystem (162) zu übertragen.
2. Brennstoffvorwärmsystem nach Anspruch 1, wobei der isolierte Wasserbehälter (174) einen Erwärmer aufweist, der dafür eingerichtet ist, dem in dem isolierten Wasserbehälter (174) speicherbaren ersten erwärmten Wasser (188) zusätzlich Wärme hinzuzufügen.
3. Brennstoffvorwärmsystem nach Anspruch 1, wobei der Wärmetauscher (168) dafür eingerichtet ist, Wärme aus einem zweiten erwärmten Wasser an den Brennstoff (170) nach dem Anfahren der Anlage zu übertragen.
4. Brennstoffvorwärmsystem nach Anspruch 3, mit einer Steuerung (180), die dafür eingerichtet ist, von einem ersten Fluss des ersten erwärmten Wassers durch den Wärmetauscher (168) während des Anfahrens zu einem zweiten Fluss des zweiten erwärmten Wassers durch den Wärmetauscher nach dem Anfahren überzugehen.
5. Anlage mit einem Verbrennungssystem (162), einer ersten Anlagekomponente (176) sowie einem Brennstoffvorwärmsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
6. Anlage nach Anspruch 5, wobei das Verbrennungssystem (162) eine Gasturbine ist.
7. Anlage nach Anspruch 6, wobei die erste Anlagenkomponente ein Wärmerückgewinnungs-Dampferzeugungs-System (138) aufweist.
8. Anlage nach Anspruch 6, wobei die erste Anlagenkomponente ein Kombinationszyklus-System (100) mit integrierter Vergasung aufweist.
9. Anlage nach Anspruch 6, wobei die erste Anlagenkomponente einen thermischen Solarkollektor (262) aufweist.
10. Anlage nach einem der Ansprüche 5 bis 9 mit einem Brennstoffsystem nach Anspruch 3, wobei die Anlage ferner eine zweite Anlagenkomponente (164) aufweist, welche dafür eingerichtet ist, das zweite erwärmte Wasser unmittelbar an den Wärmetauscher (168) zu liefern.
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