CH703761A2 - System und Verfahren zum Produzieren wasserstoffreichen Brennstoffes. - Google Patents

Abstract

Ein System (10) zum Bereitstellen von mit Wasserstoff angereichertem Brennstoff schliesst erste und zweite Gasturbinen (12, 14) ein. Die zweite Gasturbine (14) empfängt einen Teil (34) eines komprimierten Arbeitsfluids (30) von der ersten Gasturbine (12) und produziert einen reformierten Brennstoff (42), und eine Brennstoffschiene (20) stellt eine Strömungsverbindung zwischen einer Turbine (44) in der zweiten Gasturbine (14) und einem Brenner (24) in der ersten Gasturbine (12) bereit. Ein Verfahren zum Bereitstellen von mit Wasserstoff angereichertem Brennstoff schliesst das Ableiten eines Teiles (34) eines ersten komprimierten Arbeitsfluids (30) von einem ersten Verdichter (22) zu einem zweiten Verdichter (36) und das Bereitstellen eines zweiten komprimierten Arbeitsfluids (38) durch den zweiten Verdichter (36) ein. Das Verfahren schliesst weiter das Vermischen eines Brennstoffes (18) mit dem zweiten komprimierten Arbeitsfluid (38) in einem Reformer (40), um einen reformierten Brennstoff (42) zu produzieren, das Leiten des reformierten Brennstoffes (42) durch eine zweite Turbine (44), um den reformierten Brennstoff (42) zu kühlen, und das Verbinden der zweiten Turbine (44) mit dem zweiten Verdichter (36) ein, sodass die zweite Turbine (44) den zweiten Verdichter (36) antreibt.

Description

Gebiet der Erfindung

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein integriertes Gasturbinen-System, das Wasserstoffreichen Brennstoff für nachfolgende Verbrennung oder Verteilung produziert.

Hintergrund zu der Erfindung

[0002] Gasturbinen werden in weitem Rahmen für Industrieanwendungen und zur Energieerzeugung benutzt. Eine typische Gasturbine schliesst einen Axialverdichter vorn, ein oder mehrere Brenner um die Mitte herum und eine Turbine hinten ein. Umgebungsluft tritt in den Verdichter ein und rotierende Schaufeln und stationäre Schaufeln in dem Verdichter verleihen dem Arbeitsfluid (Luft) fortschreitend kinetische Energie, um ein komprimiertes Arbeitsfluid in einem hoch energiereichen Zustand zu produzieren. Das komprimierte Arbeitsfluid tritt aus dem Verdichter aus und strömt zu den Brennern, wo es sich mit Brennstoff vermischt und zur Erzeugung von Verbrennungsgasen, die hohe Temperatur, hohen Druck und hohe Geschwindigkeit aufweisen, entzündet. Die Verbrennungsgase dehnen sich in der Turbine zur Erzeugung von Arbeit aus. So kann z.B. die Ausdehnung der Verbrennungsgase in der Turbine eine Welle rotieren lassen, die mit einem Generator zur Erzeugung von Elektrizität verbunden ist.

[0003] Es ist weithin bekannt, dass eine magerere Brennstoff-Luft-Mischung die bei der Verbrennung produzierten Stickoxide vermindert. Eine magerere Brennstoff-Luft-Mischung induziert jedoch Flammeninstabilität in dem Brenner, was die Chance eines mageren Ausblasens (LBO) erhöht, was den durch die Gasturbine erzeugten Service unterbrechen könnte. Die Zugabe von Wasserstoff zu dem Brennstoff kann das Auftreten eines mageren Ausblasens vermindern, Emissionen verbessern und den Gesamtbetrieb der meisten Brenner, wie Brenner mit trockenem geringem N0X (DLN-Brenner), fördern. Da Wasserstoff schwierig sicher zu transportieren ist, ist eine Produktionsmöglichkeit für die benötigte Wasserstoffmenge an Ort und Stelle erwünscht, um ihn dem Brennstoff hinzuzugeben. Im Stande der Technik sind verschiedene Verfahren bekannt, um Wasserstoff an Ort und Stelle zu produzieren. So können z.B. autothermale Reformer (ATR) und Dampf-Methan-Reformer (SMR) benutzt werden, um einen mit Wasserstoff angereicherten Brennstoff zu produzieren. Im Allgemeinen setzen diese Reformer einen Katalysator, wie Nickel, einen Brennstoff, wie Erdgas, in einer Umgebung hoher Temperatur und hohen Druckes aus, um reinen Wasserstoff zu produzieren, und die exotherme katalytische Reaktion erzeugt ein Abgas sehr hoher Temperatur, was ein Problem für Ventile, Abdichtungen und andere Systemkomponenten darstellen kann. Zusätzlich erfordern SMR-Reformer typischerweise eine externe Dampfquelle, die nicht einfach verfügbar sein mag. Schliesslich ist der Druck des mit Wasserstoff angereicherten austretenden Dampfes allgemein geringer als der Druck im Gasturbinenbrenner. Als ein Resultat ist ein separater Verdichter erforderlich, um den Druck des mit Wasserstoff angereicherten abgegebenen Stromes zu erhöhen, sodass er in den Brenner der Gasturbine injiziert werden kann. Ein integriertes Gasturbinen-System, das mit Wasserstoff angereicherten Brennstoff an Ort und Stelle produzieren kann, wäre daher nützlich.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0004] Aspekte und Vorteile der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung angegeben oder sie können aufgrund der Beschreibung offensichtlich sein oder man kann sie durch Ausführung der Erfindung feststellen.

[0005] Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein System zum Schaffen von mit Wasserstoff angereichertem Brennstoff. Das System schliesst eine erste Gasturbine und eine zweite Gasturbine ein. Die erste Gasturbine schliesst einen ersten Verdichter, der ein erstes komprimiertes Arbeitsfluid produziert, einen Brenner stromabwärts des ersten Verdichters- und eine erste Turbine stromabwärts des Brenners ein. Die zweite Gasturbine schliesst einen zweiten Verdichter in Strömungsverbindung mit dem ersten Verdichter ein. Der zweite Verdichter empfängt einen Teil des ersten komprimierten Arbeitsfluids vom dem ersten Verdichter und produziert ein zweites komprimiertes Arbeitsfluid, das einen höheren Druck aufweist als das erste komprimierte Arbeitsfluid. Ein Reformer stromabwärts des zweiten Verdichters empfängt das zweite komprimierte Arbeitsfluid und produziert einen reformierten Brennstoff. Eine zweite Turbine stromabwärts des Reformers empfängt den reformierten Brennstoff und produziert einen gekühlten reformierten Brennstoff. Eine Welle, die die zweite Turbine mit dem zweiten Verdichter verbindet, ergibt ein antreibendes Eingreifen zwischen der zweiten Turbine und dem zweiten Verdichter. Eine Brennstoffschiene in Strömungsverbindung mit der zweiten Turbine und dem Brenner ergibt einen Strömungspfad für den gekühlten reformierten Brennstoff von der zweiten Turbine zu dem Brenner.

[0006] Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein System zum Schaffen eines mit Wasserstoff angereicherten Brennstoffes, das einen Niederdruck-Verdichter, einen Brenner stromabwärts des Niederdruck-Verdichters und eine Niederdruck-Turbine stromabwärts des Brenners einschliesst. Der Niederdruck-Verdichter produziert ein erstes komprimiertes Arbeitsfluid. Ein Hochdruck-Verdichter in Strömungsverbindung mit dem Niederdruck-Verdichter empfängt einen Teil des ersten komprimierten Arbeitsfluids und produziert ein zweites komprimiertes Arbeitsfluid, das einen höheren Druck aufweist als das erste komprimierte Arbeitsfluid. Ein Reformer stromabwärts des Hochdruck-Verdichters empfängt das zweite komprimierte Arbeitsfluid und produziert einen reformierten Brennstoff. Eine Hochdruck-Turbine stromabwärts des Reformers empfängt den reformierten Brennstoff und produziert einen gekühlten reformierten Brennstoff. Eine erste Welle verbindet die Hochdruck-Turbine mit dem Hochdruck-Verdichter und ergibt einen antreibenden Eingriff zwischen der Hochdruck-Turbine und dem Hochdruck-Verdichter. Eine Brennstoffschiene in Strömungsverbindung mit der Hochdruck-Turbine und dem Brenner ergibt einen Strömungspfad für den gekühlten reformierten Brennstoff von der Hochdruck-Turbine zu dem Brenner.

[0007] Die vorliegende Erfindung schliesst auch ein Verfahren zum Schaffen eines mit Wasserstoff angereicherten Brennstoffes ein. Das Verfahren schliesst das Ablenken eines Teiles eines ersten komprimierten Arbeitsfluids von einem ersten Verdichter zu einem zweiten Verdichter und das Schaffen eines zweiten komprimierten Arbeitsfluids durch den zweiten Verdichter ein. Das Verfahren schliesst weiter das Vermischen eines Brennstoffes mit dem zweiten komprimierten Arbeitsfluid in einem Reformer, um einen reformierten Brennstoff zu produzieren, Leiten des reformierten Brennstoffes durch eine zweite Turbine -zum Kühlen des reformierten Brennstoffes und Verbinden der zweiten Turbine mit dem zweiten Verdichter ein, sodass die zweite Turbine den zweiten Verdichter antreibt.

[0008] Der Fachmann wird beim Lesen der Anmeldung die Merkmale und Aspekte solcher Ausführungsformen und anderer besser einschätzen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0009] Eine vollständige und befähigende Offenbarung der vorliegenden Erfindung für einen Fachmann, einschliesslich der besten Ausführungsform, findet sich im Rest der Anmeldung, einschliesslich einer Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, in der: Fig. 1<sep>ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Systems gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet, und Fig. 2<sep>ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Systems gemäss einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0010] Es wird nun detailliert auf Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, von denen ein oder mehrere Beispiele in der beigefügten Zeichnung veranschaulicht sind. Die detaillierte Beschreibung benutzt numerische und Buchstaben-Bezeichnungen, um auf Merkmale in der Zeichnung Bezug zu nehmen. Gleiche oder ähnliche Bezeichnungen in der Zeichnung und der Beschreibung wurden benutzt, um auf gleiche oder ähnliche Teile der Erfindung Bezug zu nehmen.

[0011] Jedes Beispiel wird durch Erläuterung der Erfindung, nicht einer Einschränkung der Erfindung, angegeben. Tatsächlich wird es für den Fachmann klar sein, dass Modifikationen und Variationen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne deren Umfang oder Geist zu verlassen. So können z.B. Merkmale, die als Teil einer Ausführungsform veranschaulicht oder beschrieben sind, bei einer anderen Ausführungsform benutzt, werden, um eine weitere Ausführungsform zu ergeben. Es ist daher beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung solche Modifikationen und Variationen innerhalb des Umfanges der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente abdeckt.

[0012] Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung benutzen einen integrierten thermodynamischen Zyklus, um die Gesamtwirksamkeit einer Gasturbine zu fördern. Spezifisch produziert der integrierte thermodynamische Zyklus einen reformierten Brennstoff durch katalytische Oxidation und führt Energie zurück, die während der katalytischen Oxidation erzeugt wurde, was die Gesamtwirksamkeit des integrierten Gasturbinen-Systems verbessert.

[0013] Fig. 1 zeigt ein System 10 gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, schliesst das System 10 allgemein eine erste oder primäre Gasturbine 12 ein, die mit einer zweiten oder Mikro-Gasturbine 14 integriert ist. Die erste oder primäre Gasturbine 12 kann irgendeine kommerziell erhältliche Maschine zum Verbrennen - von Brennstoff zum Erzeugen von Energie einschliessen. Die zweite oder Mikrogasturbine 14 ist allgemein eine. Grössenordnung kleiner als die erste oder primäre Gasturbine 12 und funktioniert prinzipiell zum Reformieren oder teilweisen Verbrennen eines Brennstoffstromes zum Produzieren eines reformierten Brennstoffes, der angereicherte Niveaus von Wasserstoff aufweist.

[0014] Eine Brennstoffzufuhr 16 kann einen Brennstoff 18 an eine Brennstoffschiene 20 liefern. Mögliche Brennstoffe, die der Brennstoffschiene 20 zugeführt werden, schliessen z.B. Hochofengas, Koksofengas, Erdgas, verdampftes verflüssigtes Erdgas (LNG) und Propan ein. Die Brennstoffschiene 20 ergibt eine Strömungsverbindung für den Brennstoff 18 zum Strömen zwischen der ersten und zweiten Gasturbine 12, 14 und/oder mehreren anderen Gasturbinen, wie beschrieben werden wird.

[0015] Die erste Gasturbine 12 schliesst allgemein einen Verdichter 22, ein oder mehrere Brenner 24 stromabwärts des Verdichters 22 und eine Turbine 26 stromabwärts der Brenner 24 ein, wie im Stande der Technik bekannt, Umgebungsluft 28 tritt in Verdichter 22 ein und rotierende Schaufeln und stationäre Schaufeln in dem Verdichter 22 verleihen dem Arbeitsfluid (Luft) fortschreitend kinetische Energie, um ein erstes komprimiertes Arbeitsfluid, mit 30 bezeichnet, in einem sehr energiereichen Zustand zu produzieren. Der Hauptteil des ersten komprimierten Arbeitsfluids 30 verlässt den Verdichter 22 und strömt zu den Brennern 24, wo es sich mit Brennstoff vermischt und zum Erzeugen von Verbrennungsgasen, mit 32 bezeichnet, die eine hohe Temperatur, hohen Druck und hohe Geschwindigkeit aufweisen, entzündet. Die Verbrennungsgase 32 strömen zur Turbine 26 und dehnen sich in der Turbine 26 zur Erzeugung von Arbeit aus.

[0016] Ein Teil des ersten komprimierten Arbeitsfluids, mit 34 bezeichnet, wird von dem Verdichter 22 und/oder Brennern 24 zu der zweiten Gasturbine 14 abgelenkt. Der abgelenkte Teil des ersten komprimierten Arbeitsfluids 34 strömt zu einem zweiten Verdichter 36 in der zweiten Gasturbine 14. Rotierende Schaufeln und stationäre Schaufeln in dem zweiten Verdichter 36 verleihen dem abgeleiteten Teil des ersten komprimierten Arbeitsfluids. 34 fortschreitend kinetische Energie, um ein zweites komprimiertes Arbeitsfluid, mit 38 bezeichnet, zu produzieren. Das zweite komprimierte Arbeitsfluid 38 hat naturgemäss einen höheren Druck als der abgelenkte Teil des ersten komprimierten Arbeitsfluids 34.

[0017] Das zweite komprimierte Arbeitsfluid 38 verlässt den zweiten Verdichter 36 und strömt zu einem Reformer 40 stromabwärts des zweiten Verdichters 36. Der Reformer 40 kann einen Katalysator, Brenner oder eine andere ähnliche Vorrichtung umfassen, die dem Fachmann auf dem Gebiet des Oxidierens von Brennstoff zur Produktion eines reformierten Brennstoffes, mit 42 bezeichnet, bekannt sind, der erhöhte Niveaus von Wasserstoff aufweist. So kann z.B. der Reformer 40 einen katalytischen Konverter zur Teiloxidation (CPOX) umfassen, der ein oder mehrere Edelmetalle als Katalysator benutzt. In anderen Ausführungsformen kann der Reformer 40 einen Brenner umfassen.

[0018] Die Brennstoffzufuhr 16 liefert den Brennstoff 18 zum Reformer 40, entweder direkt oder durch die Brennstoffschiene 16, wie in Fig. 1 gezeigt. Der Reformer 40 vermischt den Brennstoff 18 mit dem zweiten komprimierten Arbeitsfluid 38 ’ und/oder Katalysator, sodass das Brennstoff-zu-zweiten komprimierten Arbeitsfluid (Luft) ein Äquivalenzverhältnis (Φ) von grösser als 1 und vorzugsweise grösser als etwa 2, wie zwischen etwa 2,5 und 6, hat, um einen geeigneten Wasserstoffgehalt in dem reformierten Brennstoff 42 sicherzustellen. Das Äquivalenzverhältnis (Φ), wie es hierin benutzt wird, ist als das Verhältnis des Brennstoff-zu-Luft-Verhältnisses und des stöchiometrischen Brennstoff-zu-Luft-Verhältnisses definiert. Mathematisch kann das Äquivalenzverhältnis folgendermassen errechnet werden:

worin m die Masse repräsentiert und st für stöchiometrische Bedingungen steht.

[0019] Der Reformer 40 verursacht die Reaktion des Brennstoffes 18 mit dem zweiten komprimierten Arbeitsfluid 38, um allen verfügbaren Sauerstoff zu verbrauchen oder zu beseitigen und den reformierten Brennstoff 42 zu produzieren, der eine hohe Temperatur und einen hohen Druck hat. Die Temperatur des reformierten Brennstoffes 42, der den Reformer 40 verlässt, kann zwischen etwa 1400°F und 1700°F liegen und der Druck des reformierten Brennstoffes 42, der den Reformer 40 verlässt, kann zwischen etwa 300 US-Pfund und 400 US-Pfund liegen, obwohl die vorliegende Erfindung nicht auf irgendeinen besonderen Temperaturbereich oder Druckbereich für den reformierten Brennstoff 42 beschränkt ist, sofern nichts spezifisch in den Ansprüchen angegeben ist. Der Wasserstoffgehalt in dem reformierten Brennstoff 42 kann grösser sein als etwa 5 Vol.-%, 10 Vol.-% oder 15 Vol.-%, was von der speziellen Ausführungsform und den Betriebsbedürfnissen abhängt.

[0020] Der reformierte Brennstoff 42 strömt zu einer zweiten Turbine 44 stromabwärts des Reformers 40. Der reformierte Brennstoff 42 dehnt sich in der zweiten Turbine 44 aus und kühlt sich ab, um Arbeit zu produzieren. Spezifisch kann eine zweite Welle 46 die zweite Turbine 44 mit dem zweiten Verdichter 36 verbinden, um einen antreibenden Eingriff zwischen der zweiten Turbine 44 und dem zweiten Verdichter 36 bereitzustellen. In dieser Weise kann die durch die Expansion des reformierten Brennstoffes 42 in der zweiten Turbine 44 erzeugte Arbeit dazu benutzt werden, den zweiten Verdichter 36 mit Energie zu versorgen, zu drehen oder in anderer Weise zu betreiben, was die Effizienz des integrierten Systems 10 erhöht. Der reformierte Brennstoff 42 tritt aus der zweiten Turbine 44 als ein gekühlter reformierter Brennstoff 48 aus. Die Temperatur des gekühlten reformierten Brennstoffes 48, der die zweite Turbine 44 verlässt, kann zwischen etwa 1000°F und 1400°F liegen und der Druck des gekühlten reformierten Brennstoffes 48, der die zweite Turbine 44 verlässt, kann zwischen etwa 200 US-Pfund und 300 US-Pfund liegen, obwohl die vorliegende Erfindung nicht auf einen besonderen Temperaturbereich oder Druckbereich für den gekühlten reformierten Brennstoff 48 begrenzt ist, sofern nichts spezifisch in den Ansprüchen angegeben ist. Als ein Resultat erfordert der gekühlte reformierte Brennstoff 48 kein zusätzliches Kühlen oder keine Druckzunahme vor der Einführung in die Brenner 24. Der Wasserstoffgehalt in dem gekühlten reformierten Brennstoff 48 kann grösser als etwa 5 Vol.-%, 10 Vol.-% oder 15 Vol.-% sein, was von der besonderen Ausführungsform und Betriebsbedürfnissen abhängt.

[0021] Die Brennstoffschiene 20 schafft eine Strömungsverbindung zwischen der zweiten Turbine 44 und den Brennern 24. Als ein Resultat kann der gekühlte reformierte Brennstoff 48 von der zweiten Turbine 44 durch die Brennstoffschiene 16 zu den Brennern 24 strömen. Die Brennstoffschiene 16 kann den gekühlten reformierten Brennstoff 48 ohne irgendeine weitere Einstellung oder ein Vermischen zu den Brennern 24 liefern. Alternativ oder zusätzlich, was von den Betriebserfordernissen abhängt, kann die Brennstoffschiene 16 den gekühlten reformierten Brennstoff 48 mit Brennstoff 18 von der Brennstoffzufuhr 16 vermischen. In dieser Weise kann die Brennstoffschiene 20 Brennstoff 18, gekühlten reformierten Brennstoff 48 und/oder eine Mischung der beiden an die Brenner 24 liefern. Die Brenner 24 entzünden die verschiedenen Brenn-Stoffe, die durch die Brennstoffschiene 20 geliefert werden, um Verbrennungsgase 32 zu erzeugen, die sich in der Turbine 26 ausdehnen, um Arbeit zu produzieren, wie zuvor beschrieben. Wie in Fig. 1 gezeigt, kann die Brennstoff schiene 20 auch eine Strömungsverbindung zwischen der zweiten Turbine 44 und einer anderen Turbine 49, die sich von der ersten Gasturbine 12 unterscheidet, bereitstellen. Dies gestattet es dem System 10, mit Wasserstoff angereicherten Brennstoff zu produzieren und zu mehr als einer Gasturbine an einem Ort zu liefern.

[0022] Fig. 2 zeigt ein System 50 gemäss einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, schliesst das System 50 allgemein eine mehrfach gewickelte Gasturbine 52 ein, die einen Niederdruck-Verdichter 54, einen Hochdruck-Verdichter 56, ein oder mehrere Brenner 58, eine Hochdruck-Turbine 60 und eine Niederdruck-Turbine 62 aufweist. Eine erste Welle 64 kann die Hochdruck-Turbine 60 mit dem Hochdruck-Verdichter 56 verbinden und eine zweite Welle 66 kann die Niederdruck-Turbine 62 mit dem Niederdruck-Verdichter 54 verbinden. Die erste Welle 64 kann im Wesentlichen konzentrisch mit der zweiten Welle 66 angeordnet sein. Eine Brennstoffzufuhr 68 kann Brennstoff 70 einer Brennstoffschiene 72 zuführen. Die Brennstoffschiene 72 bietet eine Strömungsverbindung zwischen der Hochdruck-Turbine 60, den Brennern 58 und/oder mehreren anderen Gasturbinen, wie beschrieben werden wird.

[0023] Umgebungsluft 74 tritt in den Niederdruck-Verdichter 54 ein und rotierende Schaufeln und stationäre Schaufeln in dem Niederdruck-Verdichter 54 verleihen dem Arbeitsfluid (Luft) fortschreitend kinetische Energie, um ein erstes komprimiertes Arbeitsfluid zu produzieren, mit 76 bezeichnet, das sich in einem sehr energiereichen Zustand befindet. Der grösste Teil des ersten komprimierten Arbeitsfluid 76 tritt aus dem Niederdruck-Verdichter 54 aus und strömt zu den Brennern 58, wo es sich mit Brennstoff vermischt und entzündet, um Verbrennungsgase zu erzeugen, mit 78 bezeichnet, die eine hohe Temperatur, einen hohen Druck und eine hohe Geschwindigkeit aufweisen. Die Verbrennungsgase 78 strömen zu der Niederdruck-Turbine 62 und dehnen sich in der Niederdruck-Turbine 62 aus, um Arbeit zu produzieren.

[0024] Ein Teil des ersten komprimierten Arbeitsfluids, mit 80 bezeichnet, wird von dem Niederdruck-Verdichter 54 und/oder Brennern 58 zu dem Hochdruck-Verdichter 56 stromabwärts des Niederdruck-Verdichters 54 abgeleitet. Rotierende Schaufeln und stationäre Schaufeln in dem Hochdruck-Verdichter 56 verleihen dem abgeleiteten Teil des ersten komprimierten Arbeitsfluids 80 fortschreitend kinetische Energie, um ein zweites komprimiertes Arbeitsfluid, 82 genannt, zu produzieren. Das zweite komprimierte Arbeitsfluid 82 hat natürlich einen höheren Druck als der abgeleitete Teil des ersten komprimierten Strömungsmittels 80.

[0025] Das zweite komprimierte Arbeitsfluid 82 tritt aus dem Hochdruck-Verdichter 56 aus und strömt zu einem Reformer 84 stromabwärts des Hochdruck-Verdichters 56. Der Reformer 84 umfasst einen Katalysator, Brenner oder eine andere ähnliche Vorrichtung, die dem Fachmann bekannt ist, um Brennstoff zu oxidieren, um einen reformierten Brennstoff, 86 genannt, zu erzeugen, der erhöhte Niveaus von Wasserstoff aufweist. So kann z.B. der Reformer 84 einen katalytischen Teiloxidations(CPOX)-Konverter umfassen, der ein oder mehrere Edelmetalle als Katalysator benutzt. In anderen Ausführungsformen kann der Reformer 84 einen Brenner umfassen.

[0026] Die Brennstoffzufuhr 68 liefert entweder direkt oder durch die Brennstoffschiene 72 Brennstoff 70 zu dem Reformer 84. Der Reformer 84 vermischt den Brennstoff mit dem zweiten komprimierten Arbeitsfluid 82 und/oder Katalysator, sodass das Brennstoff-zu-zweitem komprimiertem Arbeitsfluid (Luft) ein Äquivalenzverhältnis (O) von mehr als 1 und vorzugsweise mehr als etwa 2 aufweist, wie zwischen etwa 2,5 und 6, um einen geeigneten Wasserstoffgehalt in dem reformierten Brennstoff 86 sicherzustellen.

[0027] Der Reformer 84 verursacht die Reaktion des Brennstoffes 70 mit dem zweiten komprimierten Arbeitsfluid 82, um allen verfügbaren Sauerstoff zu verbrauchen oder zu beseitigen und einen reformierten Brennstoff 86 zu produzieren, der eine hohe Temperatur und einen hohen Druck aufweist. Die Temperatur des reformierten Brennstoffes 86, der den Reformer 84 verlässt, kann zwischen etwa 1400°F und 1700°F liegen und der Druck des reformierten Brennstoffes 86, der den Reformer 84 verlässt, kann zwischen etwa 300 US-Pfund und 400 US-Pfund liegen, obwohl die vorliegende Erfindung nicht auf irgendeinen speziellen Temperaturbereich oder Druckbereich für den reformierten Brennstoff 86 beschränkt ist, sofern nichts spezifisch in den Ansprüchen angegeben ist. Der Wasserstoffgehalt in dem reformierten Brennstoff 86 kann grösser als etwa 5 Vol.-%, 10 Vol.-% oder 15 Vol.-% sein, was von der speziellen Ausführungsform und Betriebsbedürfnissen abhängt.

[0028] Der reformierte Brennstoff 86 strömt zu der Hochdruck-Turbine 60 stromabwärts des Reformers 84. Der reformierte Brennstoff 86 dehnt sich in der Hochdruck-Turbine 60 aus und kühlt sich ab, um Arbeit zu produzieren. Spezifisch kann die erste Welle 64, die die Hochdruck-Turbine 60 mit dem Hochdruck-Verdichter 56 verbindet, einen antreibenden Eingriff zwischen der Hochdruck-Turbine 60 und dem Hochdruck-Verdichter 56 bereitstellen. In dieser Weise kann die durch die Expansion des reformierten Brennstoffes 86 in der Hochdruck-Turbine 60 erzeugte Arbeit dazu benutzt werden, den Hochdruck-Verdichter 56 mit Energie zu versorgen, zu drehen oder in anderer Weise zu betreiben, was die Effizienz des integrierten Systems 50 erhöht. Der reformierte Brennstoff 86 tritt aus der Hochdruck-Turbine 60 als ein abgekühlter reformierter Brennstoff 88 aus. Die Temperatur des abgekühlten reformierten Brennstoffes 88, der dir Hochdruck-Turbine 60 verlässt, kann zwischen etwa 1000°F und 1400°F liegen und der Druck des abgekühlten reformierten Brennstoffes 88, der die Hochdruck-Turbine 60 verlässt, kann zwischen etwa 200 US-Pfund und 300 US-Pfund liegen, obwohl die vorliegende Erfindung nicht auf irgendeinen speziellen Temperaturbereich oder Druckbereich für den abgekühlten reformierten Brennstoff 88 beschränkt ist, sofern nichts spezifisch in den Ansprüchen angegeben ist. Als ein Resultat erfordert der abgekühlte reformierte Brennstoff 88 kein zusätzliches Abkühlen oder keine Druckerhöhung vor der Einführung in die Brenner 58. Der Wasserstoffgehalt in dem reformierten Brennstoff 88 kann grösser als etwa 5 Vol.-%, 10 Vol.-% oder 15 Vol.-% sein, was von der speziellen Ausführungsform und Betriebserfordernissen abhängt.

[0029] Die Brennstoffschiene 72 bietet eine Strömungsverbindung zwischen der Hochdruck-Turbine 60 und den Brennern 58. Als ein Resultat kann der abgekühlte reformierte Brennstoff 88 von der Hochdruck-Turbine 60 durch die Brennstoffschiene 72 zu den Brennern 58 strömen. Die Brennstoffschiene 72 kann den abgekühlten reformierten Brennstoff 88 ohne irgendeine weitere Einstellung oder irgendein weiteres Vermischen zu den Brennern 58 liefern. Alternativ oder zusätzlich, was von den Betriebsbedürfnissen abhängt, kann die Brennstoffschiene 72 den abgekühlten reformierten Brennstoff 88 mit Brennstoff 70 aus der Brennstoffzufuhr 68 vermischen. In dieser Weise kann die Brennstoffschiene 72 Brennstoff 70, abgekühlten reformierten Brennstoff 88 und/oder eine Mischung der beiden zu den Brennern 58 liefern. Die Brenner 58 entzünden die verschiedenen Brennstoffe, die von der Brennstoffschiene 72 geliefert werden, um Verbrennungsgase 78 zu erzeugen, die sich in der Niederdruck-Turbine 62 ausdehnen, um Arbeit zu produzieren, wie zuvor beschrieben. Wie in Fig. 2gezeigt, kann die Brennstoffschiene 72 auch eine Strömungsverbindung zu einer anderen Gasturbine 90 bereitstellen, die sich von der mehrfach gewickelten Gasturbine 52 unterscheidet. Das gestattet es dem System 50, mit Wasserstoff angereicherten Brennstoff zu produzieren und zu mehr als einer Gasturbine an einem Ort zu liefern.

[0030] Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten und beschriebenen Systeme bietet ein Verfahren zur Schaffung von mit Wasserstoff angereichertem Brennstoff. Spezifisch kann das Verfahren das Komprimieren von Umgebungsluft zum Erzeugen eines ersten komprimierten Arbeitsfluids und Ableiten mindestens eines Teiles des ersten komprimierten Arbeitsfluids zur weiteren Kompression zu einem zweiten komprimierten Arbeitsfluid einschliessen. Das zweite komprimierte Arbeitsfluid kann dann mit einem Brennstoff in einem Reformer vermischt werden, um einen reformierten Brennstoff zu produzieren. Falls erwünscht, kann das Äquivalenzverhältnis zwischen dem Brennstoff und dem zweiten komprimierten Arbeitsfluid grösser als 2 sein. Der reformierte Brennstoff kann durch eine Turbine strömen, um den reformierten Brennstoff abzukühlen, und durch die Ausdehnung des reformierten Brennstoffes, der durch die Turbine strömt, erzeugte Arbeit kann dazu benutzt werden, das zweite komprimierte Arbeitsfluid zu produzieren. Der gekühlte reformierte Brennstoff kann dann zu einem Brenner zum Verbrennen strömen. Alternativ oder zusätzlich kann der gekühlte reformierte Brennstoff mit dem Brennstoff vor der Verbrennung vermischt werden.

[0031] Die in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Systeme und Verfahren können verschiedene kommerzielle Vorteile gegenüber existierender Technologie bieten. So sollte, zum Beispiel, das Integrieren des Reformers und des Reformierungs-prozesses in ein konventionelles Gasturbinen-System die Gesamtwirksamkeit des Gasturbinen-Systems dadurch erhöhen, dass Arbeit, die durch das Reformierungsverfahren ausgeführt wird, entnommen oder zurückgeführt wird. Das Zurückführen oder Entnehmen der Arbeit des Reformierungsprozesses gestattet das Kühlen des reformierten Brennstoffes, das Vermindern der Schwierigkeit und Kosten, die mit dem Transport oder Übertragen des reformierten Brennstoffes verbunden sind. Zusätzlich liefert ein einzelner Reformierungsprozess, der in ein Gasturbinen-System integriert wird, genügend mit Wasserstoff angereicherten Brennstoff für mehrere Gasturbinen an einem Ort.

[0032] Die Beschreibung benutzt Beispiele zum Offenbaren der Erfindung einschliesslich der besten Art und auch, um es einem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung auszuführen, einschliesslich des Herstellens und Benutzens irgendwelcher Vorrichtungen oder Systeme und des Ausführens irgendwelcher einbezogener Verfahren. Der patentierbare Umfang der Erfindung wird durch die Ansprüche definiert und sie können andere Beispiele einschliessen, die sich dem Fachmann ergeben. Solche anderen Beispiele sollen in den Rahmen der Ansprüche fallen, wenn sie Strukturelemente einschliessen, die sich von dem Wortlaut der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden zum Wortlaut der Ansprüche einschliessen.

[0033] Ein System 10 zum Bereitstellen von mit Wasserstoff angereichertem Brennstoff schliesst erste und zweite Gasturbinen 12, 14 ein. Die zweite Gasturbine 14 empfängt einen Teil 34 eines komprimierten Arbeitsfluids 30 von der ersten Gasturbine 12 und produziert einen reformierten Brennstoff 42, und eine Brennstoffschiene 20 stellt eine Strömungsverbindung zwischen einer Turbine 44 in der zweiten Gasturbine 14 und einem Brenner 24 in der ersten Gasturbine 12 bereit. Ein Verfahren zum Bereitstellen von mit Wasserstoff angereichertem Brennstoff schliesst das Ableiten eines Teiles 34 eines ersten komprimierten Arbeitsfluids 30 von einem ersten Verdichter 22 zu einem zweiten Verdichter 36 und das Bereitstellen eines zweiten komprimierten Arbeitsfluids 38 durch den zweiten Verdichter 36 ein. Das Verfahren schliesst weiter das Vermischen eines Brennstoffes 18 mit dem zweiten komprimierten Arbeitsfluid 38 in einem Reformer 40, um einen reformierten Brennstoff 42 zu produzieren, das Leiten des reformierten Brennstoffes 42 durch eine zweite Turbine 44, um den reformierten Brennstoff 42 zu kühlen, und das Verbinden der zweiten Turbine 44 mit dem zweiten Verdichter 36 ein, sodass die zweite Turbine 44 den zweiten Verdichter 36 antreibt.

Bezugszeichenliste

[0034] 10<sep>System 12<sep>Erste Gasturbine 14<sep>Zweite Gasturbine 16<sep>Brennstoffzufuhr 18<sep>Brennstoff 20<sep>Brennstoffschiene 22<sep>Erster Verdichter 24<sep>Brenner 26<sep>Erste Turbine 28<sep>Luft 30<sep>Erstes komprimiertes Arbeitsfluid 32<sep>Verbrennungsgase 34<sep>Abgeleitetes erstes komprimiertes Arbeitsfluid 36<sep>Zweiter Verdichter 38<sep>Zweites komprimiertes Arbeitsfluid 40<sep>Reformer 42<sep>Reformierter Brennstoff 44<sep>Zweite Turbine 46<sep>Zweite Welle 48<sep>Gekühlter reformierter Brennstoff 49<sep>Gasturbine 50<sep>System 52<sep>Mehrfach gewickelte Gasturbine 54<sep>Niederdruck-Verdichter 56<sep>Hochdruck-Verdichter 58<sep>Brenner 60<sep>Hochdruck-Turbine 62<sep>Niederdruck-Turbine 64<sep>Erste Welle 66<sep>Zweite Welle 68<sep>Brennstoffzufuhr 70<sep>Brennstoff 72<sep>Brennstoffschiene 74<sep>Luft 76<sep>Erstes komprimiertes Arbeitsfluid 78<sep>Verbrennungsgase 80<sep>Abgeleitetes erstes komprimiertes Arbeitsfluid 82<sep>Zweites komprimiertes Arbeitsfluid 84<sep>Reformer 86<sep>Reformierter Brennstoff 88<sep>Gekühlter reformierter Brennstoff 90<sep>Gasturbine

Claims (13)

1. System (10) zum Bereitstellen eines mit Wasserstoff angereicherten Brennstoffes, umfassend: einen Niederdruck-Verdichter (54), worin der Niederdruck-Verdichter (54) ein erstes komprimiertes Arbeitsfluid (76) produziert; einen Brenner (58) stromabwärts des Niederdruck-Verdichters (54); eine Niederdruck-Turbine (62) stromabwärts des Brenners (58); einen Hochdruck-Verdichter (56) in Strömungsverbindung mit dem Niederdruck-Verdichter (54), worin der Hochdruck-Verdichter (56) einen Teil (80) des ersten komprimierten Arbeitsfluids empfängt und ein zweites komprimiertes Arbeitsfluid (82) produziert, das einen höheren Druck aufweist als das erste komprimierte Arbeitsfluid (76); einen Reformer (84) stromabwärts des Hochdruck-Verdichters (56), wobei der Reformer (84) das zweite komprimierte Arbeitsfluid (82) empfängt und ein reformierten Brennstoff (86) produziert; eine Hochdruck-Turbine (60) stromabwärts des Reformers (84), worin die Hochdruck-Turbine (60) den reformierten Brennstoff (86) empfängt und einen gekühlten reformierten Brennstoff (88) produziert; eine erste Welle (64), die die Hochdruck-Turbine (60) mit dem Hochdruck-Verdichter (56) verbindet, und eine treibende Verbindung zwischen der Hochdruck-Turbine (60) und dem Hochdruck-Verdichter (56) schafft, und eine Brennstoffschiene (72) in Strömungsverbindung mit der Hochdruck-Turbine (60) und dem Brenner (58), wobei die Brennstoffschiene (72) einen Strömungspfad für den gekühlten reformierten Brennstoff (88) von der Hochdruck-Turbine (60) zum Brenner (58) bereitstellt.

2. System (10) nach Anspruch 1, weiter einschliessend eine zweite Welle (66), die die Niederdruck-Turbine (62) mit dem Niederdruck-Verdichter (54) verbindet.

3. System (10) nach Anspruch 2, worin die erste Welle (64) im Wesentlichen konzentrisch mit der zweiten Welle (66) liegt.

4. System (10) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Brennstoffschiene (72) eine Brennstoffzufuhr (68) mit dem Brenner (58) verbindet.

5. System (10) nach Anspruch 4, worin die Brennstoffschiene (72) den gekühlten reformierten Brennstoff (88) mit dem zugeführten Brennstoff (68) vermischt.

6. System (10) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, worin die Brennstoffschiene (72) einen Strömungspfad für den gekühlten reformierten Brennstoff (88) von der Hochdruck-Turbine (60) zu einer dritten Gasturbine (90) bereitstellt.

7. System (10) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, worin der gekühlte reformierte Brennstoff (88) mindestens 5 Vol.-% Wasserstoff umfasst.

8. System (10) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, worin der Reformer (84) einen katalytischen Konverter umfasst.

9. Verfahren zum Bereitstellen eines mit Wasserstoff angereicherten Brennstoffes, umfassend: Ableiten eines Teiles (80) eines ersten komprimierten Arbeitsfluids (76) von einem ersten Verdichter (54) zu einem zweiten Verdichter (56); Bereitstellen eines zweiten komprimierten Arbeitsfluids (82) durch den zweiten Verdichter (56); Vermischen eines Brennstoffes (70) mit dem zweiten komprimierten Arbeitsfluid (82) in einem Reformer (84), um einen reformierten Brennstoff (86) zu produzieren; Hindurchführen des reformierten Brennstoffes (86) durch eine zweite Turbine (60), um den reformierten Brennstoff (86) zu kühlen, und Verbinden der zweiten Turbine (60) mit dem zweiten Verdichter (56), so dass die zweite Turbine (60) den zweiten Verdichter (56) antreibt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, weiter umfassend das Leiten des gekühlten reformierten Brennstoffes (88) zu einem Brenner (58).

11. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 9 oder 10, weiter umfassend Vermischen des gekühlten reformierten Brennstoffes (88) mit dem Brennstoff (70).

12. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 9 bis 11, weiter umfassend das Vermischen des Brennstoffes (70) mit dem zweiten komprimierten Arbeitsfluid (82) in dem Reformer (84) bei einem Äquivalenzverhältnis von mindestens etwa 2.

13. Verfahren nach Anspruch 9, weiter umfassend das Bereitstellen des reformierten Brennstoffes (86) mit mehr als 5 Vol.-% Wasserstoff.