DE102007026437A1

DE102007026437A1 - Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE102007026437A1
Application number: DE102007026437A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen CIESIELSKI
Original assignee: WOOD GROUP GAS TURBINE SERVICE; WOOD GROUP GAS TURBINE SERVICES GmbH
Current assignee: WOOD GROUP GAS TURBINE SERVICE; WOOD GROUP GAS TURBINE SERVICES GmbH
Priority date: 2007-03-15
Filing date: 2007-06-06
Publication date: 2008-09-18

Abstract

Es werden eine Gasturbinenanlage und ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine vorgeschlagen. Zur optimalen Energieausnutzung und Reduzierung von NO<SUB>x</SUB> im Abgas der Gasturbine wird dem Brenngas vor Zuführung zur Gasturbine Luft zugemischt, die unabhängig von der Gasturbine verdichtet wird. Das Brenngas treibt eine Expansionsmaschine an, wobei der Druck des Brenngases auf einen gewünschten Zuführdruck verringert wird. Die Expansionsmaschine treibt einen Verdichter zum Verdichten von Luft an, die zugemischt wird. Die verdichtete Luft wärmt das Brenngas vor der Entspannung vor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Bei Gasturbinen, die mit einem Brenngas, beispielsweise Erdgas oder Methan, betrieben werden, muß üblicherweise der relativ hohe Versorgungsdruck des Brenngases von beispielsweise etwa 5 MPa zunächst auf einen Zuführdruck von beispielsweise etwa 2 MPa reduziert werden, bevor das Brenngas der Gasturbine zugeführt werden kann. Die Druckreduzierung erfolgt bisher üblicherweise in einer Einrichtung mit einem Reduzierventil, wobei eine vorherige Erwärmung des Brenngases erforderlich ist, um die unerwünschte Bildung einer flüssigen Phase im entspannten Brenngas aufgrund der bei der Expansion auftretenden Temperaturerniedrigung verhindern zu können.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasturbinenanlage und ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine anzugeben, wobei eine Verbesserung der Leistung und/oder des Wirkungsgrades und/oder eine Verringerung des NO_x-Wertes – insbesondere bei herkömmlichen Gasturbinen, die mit λ etwa 1,05 im Primärbereich betrieben werden – ermöglicht werden.
Die obige Aufgabe wird durch eine Gasturbinenanlage gemäß Anspruch 1 oder durch ein Verfahren gemäß Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, das Brenngas eine Expansionsmaschine antreiben zu lassen und dadurch in seinem Druck zu reduzieren, wobei die Expansionsmaschine ihrerseits einen Verdichter antreibt, der Luft auf einen erforderlichen Zuführdruck verdichtet. Die Luft wird dann dem entspannten Brenngas zugemischt, und die Mischung aus Brenngas und Luft wird der Gasturbine zugeführt.
Die vorschlagsgemäße Luftzumischung gestattet eine Erhöhung der Leistung und/oder des Wirkungsgrades der Gasturbinenanlage, da der Massenstrom erhöht werden kann, da keine oder weniger Energie zum Vorwärmen des Brenngases vor der Entspannung erforderlich ist und/oder da die für die NO_x-Reduzierung oftmals eingesetzte Einspeisung von Dampf bzw. Wasser entfallen oder zumindest reduziert werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die NO_x-Werte verringert und damit verbessert werden können, da durch die Luftzumischung die Flammentemperatur in der Gasturbine verringert werden kann.
Gemäß einem weiteren bzw. allgemeineren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird dem Brenngas vor der Zuführung zur Gasturbine Luft zugemischt, die vorher separat von der Gasturbine verdichtet wird. Hierbei können wiederum die vorgenannten Vorteile erreicht werden.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, den Heizwert des Brenngases durch Zumischen von Luft zu steuern bzw. zu regeln. Insbesondere wird hierbei der Heizwert auf einen relativ niedrigen Wert bzw. Standardwert eingestellt. So ist es möglich, eine auf diesen Wert bzw. Standardwert ausgelegte Gasturbine immer optimal zu betreiben, auch wenn das Brenngas einen variierenden und insbesondere sonst höheren oder hohen Heizwert hat.
Weitere Aspekte, Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnung. Die einzige Figur zeigt
ein schematisches Blockschaltbild einer vorschlagsgemäßen Gasturbinenanlage.
In der einzigen Figur ist schematisch eine Gasturbinenanlage 1 mit einer Einrichtung 2 zur Reduzierung des Drucks von Brenngas für eine Gasturbine 3 gezeigt. Vorzugsweise bildet die Gasturbine 3 einen Teil der Gasturbinenanlage 1. Die Gasturbine 3 ist durch das Brenngas – also einen gasförmigen Kraftstoff – betreibbar. Bezüglich des möglichen Aufbaus der Gasturbine 3 darf auf den Stand der Technik verwiesen werden.
Die Einrichtung 2 dient der Reduzierung des Drucks des Brenngases von einem Versorgungsdruck von beispielsweise 3 bis 10 MPa, insbesondere etwa 5 MPa, auf einen demgegenüber verringerten Zuführdruck von beispielsweise 0,5 bis 3 MPa, insbesondere etwa 2 MPa.
Beim Darstellungsbeispiel wird das Brenngas mit dem Versorgungsdruck über einen Versorgungsanschluß 4 der Einrichtung 2 zugeführt.
Das im Druck auf den Zuführdruck reduzierte Brenngas wird beispielsweise über einen Zuführanschluß 5 der Gasturbine 3 zugeführt. Die Gasturbine 3 wird also zumindest im wesentlichen mit dem Zuführdruck mit Brenngas versorgt.
Es ist anzumerken, daß bei der vorliegenden Beschreibung eventuelle Druckverluste durch Strömungswiderstände oder dergleichen unberücksichtigt bleiben. Die Erläuterungen gelten dann zumindest im wesentlichen entsprechend.
Die Einrichtung 2 weist zur Reduzierung des Brenngasdrucks eine Expansionsmaschine 6, insbesondere eine Turbine zur kontinuierlichen Expansion, auf. Beim Darstellungsbeispiel ist nur eine Expansionsmaschine 6 oder nur eine einstufige Turbine vorgesehen bzw. angedeutet. Jedoch kann die Expansion auch mehrstufig erfolgen.
Die Einrichtung 2 weist weiter einen Verdichter 7, wie eine Pumpe, zum Verdichten von Luft auf. Insbesondere wird Umgebungs- bzw. Außenluft über einen Einlaß 8 von dem Verdichter 7 angesaugt und im Verdichter 7 zumindest auf den Zuführdruck oder einen etwas darüberliegenden Druck verdichtet.
Beim Darstellungsbeispiel erfolgt vorzugsweise eine einstufige Verdichtung. Jedoch kann grundsätzlich auch eine mehrstufige Verdichtung erfolgen.
Die verdichtete Luft wird dem entspannten Brenngas vor der Zuführung zur Gasturbine 3 über einen Mischer 9 der Gasturbinenanlage 1 bzw. Einrichtung 2 zugemischt. Der Mischer 9 ist also stromauf des Zuführanschlusses 5 angeordnet.
Das Brenngas wird vor der Expansion, also vor dem Eintritt in die Expansionsmaschine 6, vorzugsweise vorgewärmt. Dies erfolgt beim Darstellungsbeispiel vorzugsweise durch Wärmetausch mit der durch das Verdichten erwärmten Luft. Hierzu weist die Gasturbinenanlage 1 bzw. Einrichtung 2 vorzugsweise einen Wärmeübertrager (üblicherweise als Wärmetauscher bezeichnet) 10 auf. Der Wärmeübertrager 10 ist in der Brenngaszuführung zwischen dem Zuführanschluß 4 und der Expansionsmaschine 6 und in der Luftzuführung zwischen dem Verdichter 7 und dem Mischer 9 angeordnet.
Die durch das Verdichten erwärmte Luft gibt im Wärmetauscher 10 zumindest einen Teil ihrer Wärme an das Brenngas ab, so daß das Brenngas erwärmt bzw. vorgewärmt wird. Das erwärmte Brenngas wird dann der Expansionsmaschine 6 zugeführt und dort entspannt. Vorzugsweise ist die Gasturbinenanlage 1 bzw. Einrichtung 2 derart ausgelegt, daß die Vorwärmung ausreicht, um trotz der bei der Entspannung auftretenden Absenkung der Temperatur das Bilden einer flüssigen Phase im Brenngas – also eine Kondensation bzw. Tröpfchenbildung – zu vermeiden.
Zur optimalen Steuerung bzw. Regelung der Gasturbinenanlage 1 bzw. Einrichtung 2 sind vorzugsweise nicht dargestellte Sensoren vorgesehen, um jeweils den Volumen- oder Massenstrom, den Druck oder die Temperatur des Brenngases oder der Luft bzw. des Gemisches aus Luft und Brenngas zu erfassen.
Die Gasturbinenanlage 1 bzw. Einrichtung 2 ist vorzugsweise mit einer entsprechenden Steuereinrichtung bzw. Regeleinrichtung versehen, um insbesondere den Zuführdruck in gewünschter Weise zu steuern bzw. zu regeln.
Die Expansionsmaschine 6 und der Verdichter 7 arbeiten vorzugsweise kontinuierlich. Insbesondere erfolgen also eine kontinuierliche Expansion bzw. Druckverringerung des Brenngases sowie eine kontinuierliche Verdichtung und Zumischung von Luft.
Ein Aspekt der vorschlagsgemäßen Lösung liegt darin, daß dem Brenngas vor der Zuführung zur Gasturbine 3 Luft zugemischt wird, die von der Gasturbine 3 unabhängig – insbesondere durch die Expansion des Brenngases – verdichtet wird, insbesondere auf den Zuführdruck.
Ein weiterer Aspekt liegt darin, daß die verdichtete Luft zunächst das Brenngas vor dem Entspannen vorwärmt und erst dann mit dem entspannten Brenngas gemischt wird. So kann auf einfache Weise das Entstehen einer flüssigen Phase, insbesondere das Kondensieren von Bestandteilen des Brenngases, verhindert werden. Jedoch kann zusätzlich oder alternativ auch eine sonstige Vorwärmung bzw. Zuheizung für das Brenngas vorgesehen sein.
Wie bereits erwähnt, gestattet die vorschlagsgemäße Gasturbinenanlage 1 bzw. das vorschlagsgemäße Verfahren zum Betreiben der Gasturbine 3 eine Erhöhung der Leistung und/oder des Wirkungsgrads der Gasturbine 3 bzw. der gesamten Gasturbinenanlage 1 sowie eine Verringerung der NO_x-Abgaswerte der Gasturbine 3, insbesondere aufgrund der Verringerung der Flammentemperatur durch Zumischung der Luft.
Durch die Zumischung von Luft kann die zur NO_x-Reduzierung oftmals vorgesehene Einspeisung von Dampf und/oder Wasser in der Gasturbine 3 verringert oder ganz vermieden werden. Dies ist wiederum einer Energieeinsparung bzw. einer Steigerung der Leistung bzw. des Wirkungsgrads der Gasturbine 3 bzw. der Gasturbinenanlage 1 zuträglich.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß dem Brenngas unabhängig von Verdichterendluft der Gasturbine 3 (ggf. zusätzlich) Luft zugemischt wird.
Ein weiterer, auch unabhängig realisierbarer Aspekt liegt darin, daß durch Zumischen der Luft der Heizwert des Brenngases verringert, insbesondere gesteuert oder geregelt wird. Ganz besonders bevorzugt erfolgt eine Steuerung oder Regelung des Heizwerts des Brenngases auf einen verhältnismäßig niedrigen Wert, auf den die Gasturbinenanlage 1 ausgelegt ist. Dies gestattet dann den Betrieb der Gasturbine 3 mit verschiedenen Brenngasen unterschiedlicher Heizwerte, also einen universellen Einsatz im optimalen Betriebsbereich.

Claims

Gasturbinenanlage (1) mit einer Einrichtung (2) zur Reduzierung des Drucks von Brenngas, insbesondere von einem Versorgungsdruck auf einen Zuführdruck, für eine Gasturbine (3), dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (2) eine Expansionsmaschine (6) zur Reduzierung des Drucks des Brenngases, einen von der Expansionsmaschine (6) antreibbaren Verdichter (7) für Luft und einen Mischer (9) zur Zumischung der vom Verdichter (7) verdichteten Luft zu dem Brenngas vor Zuführung zu der Gasturbine (3) aufweist.
Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsmaschine (6) als Turbine ausgebildet ist.
Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft dem Brenngas kontinuierlich zumischbar ist, insbesondere die Expansionsmaschine (6) und der Verdichter (7) kontinuierlich betreibbar sind.
Gasturbinenanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Brenngas vor der Druckreduzierung insbesondere von der verdichteten Luft vorwärmbar ist, besonders bevorzugt mittels eines Wärmeübertragers (10) der Gasturbinenanlage (1).
Gasturbinenanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Versorgungsdruck im wesentlichen 3 bis 10 MPa, insbesondere im wesentlichen 5 MPa, beträgt.
Gasturbinenanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuführdruck im wesentlichen 0,5 bis 3 MPa, insbesondere im wesentlichen 2 MPa, beträgt.
Gasturbinenanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasturbinenanlage (1) zur Steuerung oder Regelung des Heizwerts des Brenngases – insbesondere durch Variation der Menge an zugemischter Luft – ausgebildet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine (3), wobei der Gasturbine (3) ein Brenngas mit einem Zuführdruck zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Brenngas vor der Zuführung zur Gasturbine (3) Luft zugemischt wird, die vorher unabhängig von der Gasturbine (3) verdichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Brenngas vor dem Zumischen der Luft von einem Versorgungsdruck auf den Zuführdruck entspannt wird und die Entspannungsenergie zum Verdichten der Luft verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die verdichtete Luft zunächst das Brenngas vor dessen Entspannen vorwärmt und erst dann zu dem entspannten Brenngas zugemischt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Zumischen der Luft der Heizwert des Brenngases auf einen gewünschten Wert gesteuert oder geregelt wird.