DE102007015309A1 - Betriebsverfahren für eine Turbogruppe - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Turbogruppe, insbesondere einer Kraftwerksanlage, - bei dem Verbrennungsluft einem Verdichter zugeführt, darin komprimiert und einem Brenner zugeführt wird, - bei dem ein Brennstoff, der eine höhere Reaktivität aufweist als Erdgas, dem Brenner zugeführt wird, - bei dem Wasser in die Verbrennungsluft stromauf des Brenners eingedüst und dann verdampft wird, - bei dem der Brennstoff im Brenner mit dem Verbrennungsluft-Wasserdampf-Gemisch vermischt und verbrannt wird, - bei dem ein im Brenner erzeugtes Brennerabgas einer Turbine zugeführt wird und darin entspannt wird.
Description
- Technisches Gebiet
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Turbogruppe, insbesondere einer solchen für eine Kraftwerksanlage.
- Stand der Technik
- Eine Turbogruppe, wie sie in einer Kraftwerksanlage zur Stromerzeugung zur Anwendung kommt, umfasst üblicherweise einen Verdichter zum Komprimieren von Verbrennungsluft, eine Brennkammer zum Verbrennen eines Brennstoffs mit Verbrennungsluft sowie eine Turbine, in der die heißen Verbrennungsabgase arbeitsleistend entspannt werden. Problematisch beim Betrieb derartiger Energieumwandlungseinrichtungen ist die Entstehung von Schadstoffemissionen. Es besteht daher permanent das Bedürfnis, die Entstehung von Schadstoffemissionen, insbesondere von NOX-Emissionen, zu reduzieren. Die Entstehung von NOX-Emissionen besitzt einen starken Zusammenhang zur Temperatur und zum Druck des Verbrennungsvorgangs, wobei die NOX-Emissionen mit steigender Temperatur bzw. mit steigendem Druck überproportional zunehmen.
- Grundsätzlich ist es bekannt, anstelle von Erdgas oder anstelle von mit Wasser verdünnten Flüssigbrennstoffen einen Brennstoff zu verwenden, dessen Reaktivität höher oder größer ist als die von Erdgas. Die Verwendung hochreaktiver Brennstoffe ermöglicht bereits bei niedrigeren Temperaturen stabile Verbrennungsreaktionen. Derartige hochreaktive Brennstoffe werden in der Praxis jedoch relativ stark verdünnt, beispielsweise mit Wasserdampf oder mit Stickstoffgas, um einen übermäßigen Temperaturanstieg durch die Verbrennungsreaktion zu vermeiden. Gleichzeitig reduzieren diese Maßnahmen die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit, wodurch insbesondere die Gefahr eines Flammenrückschlags reduziert und somit die Betriebssicherheit der Turbogruppe erhöht werden kann.
- Die Einbringung von Wasserdampf in den Brennstoff ist jedoch mit einem hohen Aufwand verbunden. Beispielsweise muss das Wasser eine vergleichsweise hohe Reinheit aufweisen, um es ohne weiteres einem Brennstoffzuführsystem der Turbogruppe zugeben zu können. Ferner muss das Wasser bzw. der Wasserdampf auf einen vergleichsweise hohen Druck, nämlich auf den Kompressionsdruck des Verdichters, gebracht werden, wodurch eine entsprechende Energie erforderlich ist, was letztlich den Gesamtwirkungsgrad der Turbogruppe reduziert.
- Darstellung der Erfindung
- Hier setzt die vorliegende Erfindung an. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Betriebsverfahren der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere bei der Verbrennung eines hochreaktiven Brennstoffs vergleichsweise niedrige NOX-Emissionswerte ermöglicht, und wobei außerdem die Gefahr eines Flammenrückschlags reduziert ist. Ferner soll das Betriebsverfahren möglichst preiswert realisierbar sein.
- Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
- Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, Wasser bzw. Wasserdampf zur Verdünnung des Brennstoffs nicht dem Brennstoff, sondern der Verbrennungsluft stromauf des Brenners zuzuführen. Durch die Verdünnung mit Wasserdampf lässt sich die Verbrennungstemperatur im Brenner senken. Gleichzeitig kann dadurch die Gefahr eines Flammenrückschlags reduziert werden. Die Zuführung des Wasserdampfs bzw. die Eindüsung und Verdampfung des Wassers auf der Verbrennungsluftseite ist dabei von entscheidender Bedeutung, da im Verbrennungsluftpfad auch vergleichsweise unreines Wasser verwendet werden kann. Hierdurch ist die Wasseraufbereitung preiswerter realisierbar als im Falle einer Eindüsung von Wasser auf der Brennstoffseite. Des weiteren kann die Zuführung des Wassers bei einem deutlich reduzierten Druck, insbesondere auch bei Umgebungsdruck, realisiert werden, was zusätzlich den Aufwand zum Einbringen des Wassers reduziert. Die Kosten zur Realisierung der Verdünnung des Brennstoffs mit Wasserdampf können somit durch die erfindungsgemäße Betriebsweise reduziert werden. Die Durchmischung des Brennstoffs mit dem Verbrennungsluft-Wasserdampf-Gemisch im Brenner, insbesondere in einem Vormischbrenner, führt zu einer reduzierten kinetischen Aktivität des Brennstoffs, wodurch die Durchmischung von Brennstoff, Verbrennungsluft und Wasserdampf vor der Zündung des Gemischs verbessert wird. Ein homogenisiertes Gemisch verbessert die Verbrennung und reduziert die Schadstoffemissionen.
- Beim Brennstoff handelt es sich um einen Brennstoff, der eine höhere Reaktivität aufweist als Erdgas, was zu einer reduzierten NOX-Bildung gegenüber der Verbrennung von Erdgas genutzt werden kann. Als Brennstoff kann beispielsweise ein Wasserstoffgas enthaltendes kohlenwasserstofffreies Brenngas verwendet werden. Ein derartiges Brenngas kann auch als Synthesegas oder Syngas bezeichnet werden. Ein solches Syngas lässt sich beispielsweise mittels partieller Oxidation eines kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffs generieren. Alternativ kann als Brennstoff auch ein trockener, also wasserfreier oder wasserdampffreier verdampfter Flüssigbrennstoff verwendet werden. Verdampfte Flüssigbrennstoffe weisen in der Regel eine deutlich höhere Reaktivität auf als Erdgas und werden daher regelmäßig nur in einer mit Wasser bzw. Wasserdampf verdünnten Form dem Brenner zugeführt. Die Erfindung ermöglicht es, nun auch einen trockenen Flüssigbrennstoff, wie zum Beispiel Trockenöl, zur Befeuerung des Brenners der Turbogruppe zu verwenden. Alternativ kann als Brennstoff auch Wasserstoffgas verwendet werden, das quasi schadstofffrei umgesetzt werden kann.
- Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Betriebsverfahrens wird in die Verbrennungsluft soviel Wasser eingedüst, dass der Dampfanteil im Verbrennungsluft-Wasserdampf-Gemisch, das vom Verdichter zum Brenner geführt wird, bei weniger als zehn Masseprozent liegt. Bevorzugt wird soviel Wasser eingedüst, dass der Dampfanteil im Verbrennungsluft-Wasserdampf-Gemisch in einem Bereich von etwa fünf bis acht Masseprozent liegt.
- Zusätzlich oder alternativ kann das Betriebsverfahren auch so ausgestaltet werden, dass gerade soviel Wasser in die Verbrennungsluft eingedüst wird, dass sich für den Brennstoff im Brenner eine Verdünnung von etwa zehn Volumenprozent ergibt.
- Für die Eindüsung des Wassers in den Verbrennungsluftpfad stromauf des Brenners ergeben sich mehrere Möglichkeiten. Bevorzugt wird das Wasser so eingedüst, dass der zum Eindüsen erforderliche Druck möglichst niedrig ist. Beispielsweise wird das Wasser noch innerhalb des Verdichters in die Verbrennungsluft eingedüst. Der Verdichter selbst kann beispielsweise zumindest zwei Druckbereiche aufweisen, nämlich einen Hochdruckbereich und einen Niederdruckbereich. Ebenso sind Verdichter mit drei Druckbereichen bekannt. Der Verdichter weist dann einen Niederdruckbereich, einen Mitteldruckbereich und einen Hochdruckbereich auf. Der Verdichter kann aus mehreren einzelnen Kompressoren gebildet sein oder auch nur einen einzigen Kompressor aufweisen. Die genannten Druckbereiche sind dann innerhalb des einzigen Kompressors durch entsprechende Axialabschnitte gebildet oder bei mehreren Kompressoren auf die einzelnen Kompressoren verteilt.
- Bevorzugt kann nun das Wasser in einem Mitteldruckbereich des Verdichters oder in einem Niederdruckbereich des Verdichters in die Verbrennungsluft eingedüst werden. Ebenso ist es grundsätzlich möglich, das Wasser zwischen einem Mitteldruckbereich und einem Hochdruckbereich oder zwischen einem Niederdruckbereich und einem Mitteldruckbereich oder zwischen einem Niederdruckbereich und einem Hochdruckbereich in die Verbrennungsluft einzudösen.
- Des weiteren ist es grundsätzlich möglich, das Wasser auch stromauf des Verdichters in den Verbrennungsluftpfad einzudösen oder in einem Verdichtereinlassbereich in die Verbrennungsluft einzudösen. Hier kann das Wasser zweckmäßig bei atmosphärischem Umgebungsdruck eingebracht werden.
- Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der zum Eindüsen des Wassers in die Verbrennungsluft eine Einlassnebelerzeugungseinrichtung verwendet wird. Eine derartige Einlassnebelerzeugungseinrichtung dient üblicherweise einem anderen Zweck und ist so ausgestaltet, dass damit an oder in einem Verdichtereinlassbereich Wasserdampf erzeugt werden kann. Durch eine entsprechende Modifizierung und/oder Ansteuerung einer solchen bei der Turbogruppe gegebenenfalls ohnehin bereits vorhandenen Einlassnebelerzeugungseinrichtung kann nun das erfindungsgemäß vorgeschlagene Betriebsverfahren realisiert werden, ohne dass hierzu ein besonders hoher Aufwand betrieben werden muss.
- Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, zum Eindüsen des Wassers in die Verbrennungsluft eine für einen grundsätzlich anderen Zweck vorgesehene Verdichterzwischenkühleinrichtung zu verwenden. Mit einer Hilfe einer derartigen, gegebenenfalls ohnehin bei der Turbogruppe vorhandenen Verdichterzwischenkühleinrichtung kann eine Zwischenkühlung der verdichteten Verbrennungsluft auf der Verdichterseite realisiert werden. Die Verdichterzwischenkühleinrichtung ist so ausgestaltet, dass damit Wasser zu Kühlzwecken in den Verdichter zwischen zwei Druckstufen oder zwei Druckbereichen eindüsbar ist. Durch eine entsprechende Modifikation bzw. Ansteuerung der Verdichterzwischenkühleinrichtung kann nun das erfindungsgemäße Betriebsverfahren besonders einfach und preiswert realisiert werden.
Claims (10)
- Verfahren zum Betreiben einer Turbogruppe, zumindest bestehend aus einem Verdichter zum Verdichten von Verbrennungsluft, einer Brennkammer mit wenigstens einem Brenner zur Erzeugung eines Heissgases und einer Turbine zur arbeitsleistenden Entspannung des Heissgases, – bei dem Verbrennungsluft einem Verdichter zugeführt, darin komprimiert und wenigstens einem Brenner zugeführt wird, – bei dem ein Brennstoff dem wenigstens einen Brenner zugeführt wird, – bei dem Wasser in die Verbrennungsluft stromauf des Brenners eingedüst und darin verdampft wird, – bei dem der Brennstoff im Brenner mit dem Verbrennungsluft-Wasserdampf-Gemisch vermischt wird, – bei dem das Brennstoff-Verbrennungsluft-Wasserdampf-Gemisch in der Brennkammer verbrannt wird, – bei dem das in der Brennkammer erzeugte Heissgas der Turbine zugeführt und darin arbeitsleistend entspannt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff eine höhere Reaktivität aufweist als Erdgas.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, – dass als Brennstoff ein Wasserstoffgas enthaltendes kohlenwasserstofffreies Brenngas verwendet wird, oder – dass als Brennstoff ein trockener, verdampfter Flüssigbrennstoff, z. B. Trockenöl, verwendet wird, oder – dass als Brennstoff Wasserstoffgas verwendet wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass so viel Wasser in die Verbrennungsluft eingedüst wird, dass der Dampfanteil im Verbrennungsluft-Wasserdampf-Gemisch bei weniger als zehn Masseprozent liegt, insbesondere bei etwa fünf bis acht Masseprozent liegt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sowie viel Wasser in die Verbrennungsluft eingedüst wird, dass sich für den Brennstoff im Brenner eine Verdünnung von etwa zehn Volumenprozent ergibt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser innerhalb des Verdichters in die Verbrennungsluft eingedüst wird.
- Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, – dass das Wasser in einem Mitteldruckbereich des Verdichters oder in einem Niederdruckbereich des Verdichters in die Verbrennungsluft eingedüst wird, oder – dass das Wasser zwischen einem Mitteldruckbereich des Verdichters und einem Hochdruckbereich des Verdichters oder zwischen einem Niederdruckbereich des Verdichters und einem Mitteldruckbereich des Verdichters oder zwischen einem Niederdruckbereich des Verdichters und einem Hochdruckbereich des Verdichters in die Verbrennungsluft eingedüst wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser stromauf des Verdichters oder in einem Verdichtereinlassbereich in die Verbrennungsluft eingedüst wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Eindüsen des Wassers in die Verbrennungsluft eine Einlassnebelerzeugungseinrichtung zum Erzeugen von Wasserdampf an oder in einem Verdichtereinlassbereich verwendet wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Eindüsen des Wassers in die Verbrennungsluft eine Verdichterzwischenkühleinrichtung zum Eindüsen von Wasser in den Verdichter zwischen zwei Druckstufen des Verdichters oder Druckbereichen des Verdichters verwendet wird.
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