DE102009003406A1 - Verfahren und System zur Unterstützung einer Modifikation eines Kombikreislauf-Arbeitsfluids und dessen Verbrennung - Google Patents

Verfahren und System zur Unterstützung einer Modifikation eines Kombikreislauf-Arbeitsfluids und dessen Verbrennung Download PDF

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Mark Stewart Schroder
Mark Allan Hadley
Richard Anthony Depuy
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Abstract

Ein Verbrennungssystem enthält eine Gasturbine (100) und eine Sauerstoffquelle (317, 318), die mit der Gasturbine in Strömungsverbindung gekoppelt ist. Die Sauerstoffquelle ist eingerichtet, um Sauerstoff zu der Gasturbine zu leiten, um eine Verdrängung von Stickstoff in Verbrennungsgasen, die zu der Gasturbine geleitet werden, zu unterstützen und um eine Reduktion von in der Gasturbine erzeugten Emissionen zu ermöglichen.

Description

  • HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verbrennungssysteme und insbesondere Verfahren und Systeme, die einen Strom eines Sauerstoff angereicherten Fluids und einen Strom eines Stickstoff angereicherten Fluids zur Verwendung in einer Gasturbine liefern.
  • Wenigstens einige bekannte industrielle Einrichtungen enthalten Verbrennungssysteme, die arbeiten, indem sie einen Einlassluftstrom mit einem Brennstoffstrom verbrennen, um einen Abgasstrom zu erzeugen. Wenigstens einige der bekannten Verbrennungssysteme enthalten einen Wärmewiedergewinnungs- bzw. Abhitzedampferzeuger, der aus einer Gasturbine abgegebene Abgase nutzt, um eine Dampfmenge zu erzeugen. Der Dampf wird für die Erzeugung von Leistung durch eine Dampfturbine geleitet. Bekannte Verbrennungssysteme können ferner Wärmetauscher, Durchflussregelventile und Generatoren enthalten. Außerdem enthalten wenigstens einige bekannte Systeme auch einen Luftverdichter, der einen komprimierten Strom eines Einlassfluids zu der Gasturbine liefert.
  • Wenigstens einige bekannte Gasturbinen enthalten einen Verdichter, einen Gasturbinenabschnitt und eine Brennkammer, die zwischen dem Verdichter und dem Gasturbinenabschnitt definiert ist. Die Brennkammer zündet ein Gemisch eines Brennstoffstroms mit einem Druckluftstrom. Im Allgemeinen enthält der Druckluftstrom, der für den Verbrennungsprozess bereitgestellt wird, mehrere Bestandteile der Luft, einschließlich Sauerstoff und Stickstoff. Jedoch kann die Gegenwart von Stickstoff in dem Verbrennungsprozess zu der Erzeugung schädlicher Emissionen, einschließlich Stickoxide (NOx), beitragen. Um eine Verbesserung der Emissionseffizienz während des Verbrennungsprozesses zu fördern, empfehlen wenigstens einige bekannte Systeme die Verwendung eines reineren Fluidstroms für den Einsatz in dem Verbrennungsprozess. Die zusätzliche Komponente, die zur Bereitstellung des gereinigten Fluidstroms erforderlich ist, erhöht jedoch die Komplexität des Gesamtsystems und steigert die durch Komponenten innerhalb des Systems erzeugte Abfallmenge. An sich sind die Betriebs- und Wartungskosten derartiger Systeme durch solche Komponenten erhöht, und der gesamte Wirkungsgrad des Systems kann verringert sein.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß einem Aspekt ist ein Verfahren zum Aufbau eines Verbrennungssystems geschaffen. Das Verfahren enthält die Bereitstellung einer Gasturbine, die einen Gasturbinenabschnitt aufweist, der stromabwärts von einer Verbrennungskammer angeschlossen ist. Das Verfahren weist ferner ein Koppeln einer Sauerstoffquelle mit der Gasturbine in einer derartigen Weise auf, dass ein Sauerstoffstrom, der von der Quelle abgegeben wird, eine Verdrängung von Stickstoff in dem Arbeitsfluid der Gasturbine unterstützt und eine Verringerung von Emissionen, die in der Gasturbine erzeugt werden, fördert.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verbrennungssystem geschaffen. Das System enthält eine Gasturbine und eine Sauerstoffquelle, die in Strömungsverbindung mit der Gasturbine gekoppelt und konfiguriert ist, um Sauerstoff zu der Gasturbine zu leiten, um eine Verdrängung von Stickstoff in Verbrennungsgasen, die zu der Gasturbine geleitet werden, zu unterstützen und um eine Reduktion von in der Gasturbine erzeugten Emissionen zu ermöglichen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein kombiniertes Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerksystem geschaffen. Das Kraftwerksystem enthält wenigstens eine Sauerstoffquelle. Das Kraftwerksystem enthält ferner eine erste Gasturbine, die in Strömungsverbindung mit wenigstens einer Sauerstoffquelle verbunden ist. Die Gasturbine ist stromabwärts von der wenigstens einen Sauerstoffquelle angeordnet und empfängt einen von der wenigstens einen Quelle abgegebenen Sauerstoffstrom zur Verbrennung. Der Sauerstoffstrom unterstützt eine Verdrängung von Stickstoff in dem Arbeitsfluid der Gasturbine und fördert eine Reduktion von Emissionen, die in der Gasturbine erzeugt werden. Das Kraftwerksystem enthält ferner wenigstens einen Wärmewiedergewinnungs- bzw. Abhitzedampferzeuger, der in Strömungsverbindung mit der Gasturbine stromabwärts von dieser eingekoppelt ist. Der Abhitzedampferzeuger ist in Strömungsverbindung mit einer Dampfturbine stromaufwärts von dieser angeschlossen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt eine schematisierte Darstellung einer beispielhaften Gasturbine.
  • 2 zeigt eine schematisierte Darstellung eines beispielhaften Kombikraftwerksystems, das mit der in 1 veranschaulichten Gasturbine verwendet werden kann.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 1 zeigt eine schematisierte Darstellung einer beispielhaften Gasturbine bzw. Gasturbinenanlage 100. In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Anlage 100 einen Verdichter 102 und eine Brennkammeranordnung 104. Die Brennkammeranordnung 104 enthält einen Brennkammeranordnungskopf 105, der Brennstoff in eine Brennkammer 106 liefert, die eine Mittellinie 107 enthält, die sich durch diese hindurch erstreckt. In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Anlage 100 mehrere Brennkammeranordnungen 104. Die Brennkammeranordnung 104 und insbesondere die Brennkammern 106 sind stromabwärts von dem Verdichter 102 und in Strömungsverbindung mit diesem gekoppelt. Die Anlage 100 enthält ferner einen Gasturbinenabschnitt 108 und eine Verdichter/Turbinen-Welle 110 (die manchmal auch als Rotor bezeichnet wird). In der beispielhaften Ausführungsform ist die Brennkammer 106 im Wesentlichen zylindrisch und in Strömungsverbindung mit dem Gasturbinenabschnitt 108 gekoppelt. Die Turbine 108 ist mechanisch mit der Welle 110 gekoppelt und treibt diese an. Der Verdichter 102 ist ebenfalls drehfest mit der Welle 110 gekoppelt. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Brenner 104 ein mager betriebener DLN-Brenner mit geringem Stickoxid(NOx)-Ausstoß, insbesondere ein Brennersystem der mager betriebenen Serie mit geringem NOx-Ausstoß, wie es kommerziell von der General Electric Company erhältlich ist. Alternativ kann der Brenner 104 ein beliebiger Brenner sein, der einen Betrieb der Anlage 100 durch Kombination einer beliebigen „Brennstoff"-Art mit Sauerstoff oder einem beliebigen sauerstoffhaltigen Fluid in der hier beschriebenen Weise ermöglicht.
  • Im Betrieb strömt Luft durch den Verdichter 102, und eine beträchtliche Menge der resultierenden Druckluft wird der Brennkammeranordnung 104 zugeführt. Die Anordnung 104 ist fer ner in Strömungsverbindung mit einer (in 1 nicht veranschaulichten) Brennstoffquelle angeordnet und leitet Brennstoff und Luft zu der Brennkammer 106. In der beispielhaften Ausführungsform zündet und verbrennt die Brennkammeranordnung 104 einen Brennstoff, wie beispielsweise Erdgas oder Heizöl, innerhalb der Brennkammer 106. In der Kammer 106 wird ein (in 1 nicht veranschaulichter) Verbrennungsgasstrom hoher Temperatur erzeugt. Alternativ verbrennt die Anordnung 104 Brennstoffe, zu denen ein Prozessgas und/oder ein synthetisches Gas (Synthesegas) einschließlich, jedoch nicht ausschließlich, gehören. Die Brennkammer 106 leitet den Verbrennungsgasstrom entlang der Mittellinie 107 zu der Turbine 108, in der Wärmeenergie in mechanische Rotationsenergie umgewandelt wird.
  • 2 zeigt eine schematisierte Darstellung eines beispielhaften Gas- und Dampf-Kombikraftwerksystems 200, das mit einer Gasturbine, beispielsweise der (in 1 veranschaulichten) Gasturbine 100, eingesetzt werden kann. In der beispielhaften Ausführungsform enthält das System 200 eine Kanal-Feuerungsvorrichtung 210, die in Strömungsverbindung mit der Gasturbine 201 stromabwärts von dieser angeschlossen ist. In der beispielhaften Ausführungsform verbrennt die Kanal-Feuerungs-Vorrichtung 210 einen von der Gasturbine 201 abgegebenen Abgasstrom, wie dies in größeren Einzelheiten nachstehend beschrieben ist.
  • In der beispielhaften Ausführungsform enthält das System 200 ferner ein Dampferzeugungssystem 216. Insbesondere enthält das System 216 in der beispielhaften Ausführungsform einen ersten Abhitzedampferzeuger (HRSG, Heat Recovery Steam Generator) 218 und einen zweiten HRSG 220. In einer Ausführungsform enthält der erste HRSG 218 eine (nicht veranschaulichte) interne Wärmeübertragungsvorrichtung, die verwendet wird, um un ter Verwendung des heißen Abgasstroms von der Gasturbine 201 Dampf zu erzeugen. Ein zweiter HRSG 220 enthält ebenfalls eine (nicht veranschaulichte) zweite Wärmeübertragungsvorrichtung, die den gleichen Wärmeübertragungsmechanismus und die gleiche Wärmeübertragungstechnik ausführt, um Dampf zu erzeugen. In der beispielhaften Ausführungsform sind der erste HRSG 218 und der zweite HRSG 220 in Strömungsverbindung mit einer Dampfturbine 222 angeschlossen.
  • In der beispielhaften Ausführungsform ist eine Lufttrenneinheit (ASU, Air Separation Unit) 300 in dem System 200 enthalten und in Strömungsverbindung mit einem Verdichtersystem 400 angeschlossen. Die ASU 300 kann von einer beliebigen kommerziell verfügbaren Bauart sein, die die Hauptbestandteile von Luft, wie beispielsweise Stickstoff und Sauerstoff, trennt. Alternativ kann die ASU 300 eine beliebige Sauerstoffquelle, beispielsweise aus Verarbeitungsanlagen, Biomasse oder Abgasen von Verbrennungsprozessen, sein. In einer Ausführungsform ist das Verdichtersystem 400 in Strömungsverbindung mit der ASU 300 über eine (nicht veranschaulichte) erste Luftzufuhrleitung und eine (nicht veranschaulichte) zweite Luftzufuhrleitung gekoppelt. In der beispielhaften Ausführungsform enthält das Verdichtersystem 400 eine erste Verdichtungsvorrichtung oder einen Hauptluftverdichter (MAC, Main Air Compressor) 402. Insbesondere ist der MAC 402 in der beispielhaften Ausführungsform ein Niederdruck-Axialverdichter (LPC, Low-Pressure Axial Compressor). Alternativ kann jede beliebige Verdichtungsvorrichtung verwendet werden, die einen Betrieb des Verdichtersystems 400, wie hierin beschrieben, unterstützt. In der beispielhaften Ausführungsform wird die Gasturbine 201 dazu verwendet, das Verdichtersystem 400, einschließlich des Hauptluftverdichters 402, anzutreiben. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Gasturbine 201 mit dem Hauptluftverdichter 402 über eine Welle 406 mechanisch gekoppelt.
  • In der beispielhaften Ausführungsform ist der Hauptluftverdichter 402 mit einem Booster-Luftverdichter (BAC, Boost Air Compressor) 404 über eine Welle 408 gekoppelt. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Booster-Luftverdichter 404 ein sechsstufiger Zentrifugal-Luftverdichter von GE Nuovo Pignone. Alternativ kann der Booster-Luftverdichter ein beliebiger Verdichter sein, der einen Betrieb des Verdichtersystems 400 in der hier beschriebenen Weise unterstützt. In einer Ausführungsform enthält der Booster-Luftverdichter 404 einen Zwischen- und einen Nachkühlungs-Wärmetauscher (nicht veranschaulicht), der in Strömungsverbindung mit dem Booster-Luftverdichter 404 gekoppelt ist. Der Wärmetauscher empfängt wenigstens einen Teil des unter Druck gesetzten Luftstroms von dem Hauptluftverdichter 402, entfernt wenigstens einen Teil der Wärme von dem Luftstrom und gibt einen gekühlten Luftstrom an den Booster-Luftverdichter 404 ab.
  • Der Hauptluftverdichter 402 enthält einen Einlassabschnitt 410, der Luft von der Umgebung empfängt. Alternativ kann der Einlassabschnitt 410 Luft empfangen, die unter einem höheren Druck als dem atmosphärischen Nenndruck steht, nachdem sie eine (nicht veranschaulichte) Vorverdichtungsvorrichtung einer beliebigen Art durchlaufen hat, die Umgebungsluft unter Druck setzt, bevor diese in den Hauptluftverdichter 402 eintritt. Der Hauptluftverdichter 402 enthält ferner mehrere (nicht veranschaulichte) Stufen, die mit einem Ausströmraum bzw. einer Austrittsspirale 412 zusammenwirken, um die Erzeugung eines Austrittsluftstroms 302 zu fördern, der unter einem erhöhten Druck steht. In einer beispielhaften Ausführungsform ist ein Wärmetauscher 411 stromabwärts von dem Ausströmraum 412 angeschlossen, um eine Kühlung des austretenden Luftstroms 302 zu ermöglichen und eine Reduktion des konstruktionsgemäßen Leistungsbedarfs, der mit dem Booster-Luftverdichter 404 in Zusammenhang steht, zu fördern. Außerdem ermöglicht der Wärmetauscher Wartungsmaßnahmen innerhalb eines vordefinierten Temperaturbereichs, wie er durch Komponenten stromabwärts von dem Hauptluftverdichter 402, einschließlich, jedoch nicht aus schließlich, der ASU 300, definiert ist. In dem Wärmetauscher 411 sind die notwendigen Ventile (innerhalb von 411 nicht veranschaulicht) enthalten, die die geeignete Steuerung bzw. Regelung von Durchflussströmen durchführen, die aus dem Hauptluftverdichter 402 austreten und zu dem Booster-Luftverdichter 404 oder der Lufttrenneinheit 300 geleitet werden.
  • Die Lufttrenneinheit bzw. Luftzerlegungseinheit 300 ist in Strömungsverbindung mit dem Hauptluftverdichter 402 und dem Booster-Luftverdichter 404 gekoppelt. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Lufttrenneinheit 300 ein zyklusbasiertes Kühlsystem, das hauptsächlich einen ersten Strom 316 von wenigstens 50% reinem Sauerstoff zur Verwendung in den Gasturbinen 201 und 228 sowie einen zweiten Strom 326 erzeugt, der Stickstoff zur Verwendung als ein Kühlmittel in den Gasturbinen 201 und 228 enthält. In der beispielhaften Ausführungsform enthält die Lufttrenneinheit 300 einen jeweiligen ersten und zweiten Ausgangsabschnitt 312 und 314, die den Sauerstoff angereicherten Produktstrom 316 zu den Gasturbinen 201 und 228 und den Stickstoff angereicherten Produktstrom 326 zu dem Verdichter 324 leiten.
  • Im Betrieb wird Luft zu dem Hauptluftverdichter 402 von einer atmosphärischen Umgebung aus über einen Lufteinlass 410 zugeführt. In einer Ausführungsform sind ein (nicht veranschaulichter) Einlassfilter, ein (nicht veranschaulichtes) Filtergehäuse und optional eine (nicht veranschaulichte) Vor verdichtungsvorrichtung enthalten, um Luft zu ermöglichen, über den Einlassfilter in das Gehäuse eingezogen zu werden.
  • Der Einlassabschnitt 410 des Hauptluftverdichters leitet Luft zu mehreren Stufen, die mit dem Ausströmraum 412 zusammenwirken, um die Erzeugung des Austrittsluftstroms 302 zu unterstützen. In einer Ausführungsform sind in dem Hauptluftverdichter 402 ein Wärmetauscher 411 und eine (nicht veranschaulichte) Antipumpvorrichtung enthalten, wobei der Luftstrom zu dem Wärmetauscher über eine Leitung und die Antipumpvorrichtung geleitet wird. Zusätzlich ermöglicht der Wärmetauscher in einer derartigen Ausführungsform eine Reduktion der Temperatur des durch die Leitung geführten Luftstroms, bevor der Strom in die Lufttrenneinheit 300 eintritt.
  • Der Luftstrom 302 wird, nachdem er von dem Hauptluftverdichter 402 ausgestoßen wird, in zwei Luftströme 303 und 306 über interne Ventile innerhalb des Wärmetauschers 411 aufgetrennt (nicht veranschaulicht). Der erste Luftstrom 303 wird zu der Lufttrenneinheit 300 geleitet und strömt in die Lufttrenneinheit 300 über einen ersten Einlassabschnitt 308 hinein. Der zweite Luftstrom 306 wird zu dem Booster-Luftverdichtr 404 geleitet, wobei der Luftstrom 306 durch den Booster-Luftverdichter 404 verdichtet wird, bevor er zu der Lufttrenneinheit 300 geleitet wird. Ein Luftstrom 304 verlässt den Booster-Luftverdichter 404 über einen Ausgangsabschnitt 414 und tritt in die Lufttrenneinheit 300 über einen zweiten Einlassabschnitt 310 hinein. Alternativ können der Hauptluftverdichter 402 und der Booster-Luftverdichter 404 eine beliebige Anzahl von Luftströmen unter jedem beliebigen Betriebsdruck und mit jeder beliebigen Durchflussrate erzeugen, die einen Betrieb der Lufttrenneinheit 300 in der hier beschriebenen Weise ermöglicht. In der beispielhaften Ausführungsform sind sowohl der Hauptluftverdichter 402 als auch der Booster-Luftverdichter 404 beide von der Gasturbine 201 angetrieben.
  • Im Betrieb trennt die Lufttrenneinheit 300 die Luftströme 303 und 304 in einen Sauerstoffstrom 316 und einen Stickstoffstrom 326 auf. Der Sauerstoffstrom 316 verlässt die Lufttrenneinheit 300 über den ersten Ausgangsabschnitt 312 und wird weiter in zwei Ströme 317 und 318 aufgeteilt. Ein erster Sauerstoffstromanteil 317 wird zu der Gasturbine 201 geleitet, wobei dieser in die Gasturbine 201 über einen Lufteinlass 320 eintritt. Ein zweiter Sauerstoffstromanteil 318 wird zu der Gasturbine 228 geleitet, wobei er in die Gasturbine 228 über einen Lufteinlass 322 eintritt.
  • Der Stickstoffstrom 326 wird aus der Lufttrenneinheit 300 über den Ausgangsabschnitt 314 abgegeben und zu dem Verdichter 324 geleitet. Der Stickstoffstrom 326 wird unter einen Betriebsdruck gesetzt, der gerade oberhalb desjenigen liegt, der erforderlich ist, um in den Gasturbinenabschnitt 108 einzutreten. Ein erster Stickstoffstromanteil 332 wird aus dem Verdichter 324 über einen ersten Ausgangsabschnitt 328 abgegeben und zu der Gasturbine 201 geleitet, um bei der Kühlung der Gasturbine 201 verwendet zu werden. Ein zweiter Stickstoffstromanteil 334 wird aus dem Stickstoffverdichter 324 über einen zweiten Ausgangsabschnitt 330 abgegeben und zu der Gasturbine 228 geleitet, um bei der Kühlung der Gasturbine 228 verwendet zu werden. Jedes überschüssige Stickstoff, das die Lufttrenneinheit 300 verlässt, wird für eine zukünftige Verwendung gespeichert und/oder kommerziell verkauft.
  • Ein erster und ein zweiter Abgasstrom 212 bzw. 340 verlassen die erste und die zweite Turbine 201 bzw. 228. Der erste Abgasstrom 212 der Gasturbine wird zu der Kanal-Feuerungs-Vorrichtung 210 geleitet, worin er zur Verbrennung mit einem Brennstoffstrom 214 vermischt wird, bevor er dem ersten HRSG 218 zugeführt wird. In einer Ausführungsform ist der Brennstoffstrom 214 ein kostengünstiger und/oder einen geringen Brennwert aufweisender Brennstoffstrom (sog. Low-BTU-Brennstoffstrom). Der erste HRSG 218 empfängt Kesselspeisewasser (nicht veranschaulicht) zur Verwendung bei der Aufheizung des Kesselspeisewassers zu Dampf. Der zweite Gasturbinenabgasstrom 314 verlässt die Gasturbine 228 und tritt in den zweiten HRSG 220 ein. Der zweite HRSG 220 empfängt Kesselspeisewasser (nicht veranschaulicht), das verwendet wird, um das Kesselspeisewasser zu Dampf aufzuheizen.
  • Der erste und der zweite Dampfstrom 260 und 262 verlassen den ersten HRSG 218 bzw. den zweiten HRSG 220 und werden jeweils zu der Dampfturbine 222 geleitet, worin die Wärmeenergie in dem Dampf in Drehenergie umgewandelt wird. Die Drehenergie wird über einen (nicht veranschaulichten) Rotor zu einem Generator 232 übertragen, wobei der Generator 232 die Drehenergie in elektrische Energie zur Übertragung zu wenigstens einer Last umwandelt, zu der ein elektrisches Versorgungsnetz einschließlich, jedoch nicht ausschließlich, gehört. Der Dampf wird kondensiert und anschließend als Kesselspeisewasser zurückgeführt. Überschüssige Gase und überschüssiger Dampf 270 bzw. 272 werden aus dem ersten HRSG 218 bzw. dem zweiten HRSG 220 in die Atmosphäre abgelassen.
  • Die Verfahren und Vorrichtungen, wie sie hierin beschrieben sind, ermöglichen einem Luftstrom, in einen Sauerstoffstrom und einen Stickstoffstrom zerlegt zu werden, um in dem Betrieb von Einrichtungen, die Verbrennungssysteme enthalten, verwendet zu werden. Insbesondere ermöglicht eine höhere Sauerstoffkonzentration, die dem Gasturbineneinlassstrom oder Gasturbinenarbeitsfluid zugeführt wird, eine Reduktion von NOx-Emissionen, weil die Gasturbine eine geringere Konzentration von Stickstoff in dem Arbeitsfluid empfängt. Die Reduktion von NOx-Emissionen ermöglicht eine Verbesserung wirtschaftlicher Vorteile in Regionen, in denen der Sekundärmarkt für NOx-Kredite wirksam ist oder in denen Zulassungsanforderungen für Kraftwerksanlagen die Notwendigkeit reduzierter NOx-Emissionen vorschreiben. Außerdem ermöglicht ein Stickstoffstrom eine Erhöhung des Wirkungsgrads der gesamten Anlage, indem er den Bedarf nach einer internen Entnahme des Gasturbinenarbeitsfluids eliminiert. Ferner kann das etwas höhere Molekulargewicht des Arbeitsfluids aufgrund der höheren Sauerstoffkonzentration eine Erhöhung der Durchflussrate des Arbeitsfluids durch die Gasturbinen fördern. Eine Injektion von Stickstoff aus dem ASU-System in die Gasturbinen, damit dieser als ein Turbinenkühlmittel dient, ermöglicht eine Steigerung der elektrischen Energieerzeugung auf hohen Energieumwandlungsniveaus. Außerdem ermöglicht eine Erhöhung der Sauerstoffkonzentration in dem Arbeitsfluid die Bereitstellung eines Sauerstoff angereicherten Abgasstroms, der einem herkömmlichen Kanalverbrennungsprozess zugeführt werden kann, bevor er in den Abhitzedampferzeuger eintritt. Eine Kanalverbrennung ermöglicht eine zusätzliche Dampferzeugung und somit insgesamt eine Stromerzeugung. Ein Abgasstrom mit höherem Sauerstoffgehalt in einer Kanalverbrennungsvorrichtung ermöglicht eine Verbesserung der gesamten Verbrennungswirkungsgrade der Kanalverbrennung. Dieser Prozess ermöglicht eine Steigerung des gesamten Wirkungsgrads der Anlage. Die vorstehende Beschreibung soll ein spezielles Beispiel eines allgemeinen Prozesses zur Modifikation der Zusammensetzung des Arbeitsfluids innerhalb eines thermodynamischen Kreisprozesses (in dieser Ausführungsform dem Brayton-Prozess) umfassen, um den thermischen, mechanischen, elektrischen oder Emissionswirkungsgrad in einer industriellen Anlage zu verbessern, wobei sie nicht auf die hier beschriebene spezielle Ausführungsform beschränkt sein sollte.
  • Vorstehend sind beispielhafte Ausführungsformen zur Lufttrennung und Verbrennung, wie sie mit industriellen Einrichtungen in Zusammenhang stehen, detailliert beschrieben. Die Verfahren und Systeme sind nicht auf die hierin beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt, noch auf die speziell veranschaulichten kombinierten Gas- und Dampfturbinen-Verbrennungssysteme und industriellen Einrichtungen; vielmehr können die Schritte des Verfahrens und/oder die Komponenten des Systems unabhängig und gesondert von anderen hier beschriebenen Schritten und/oder Komponenten eingesetzt werden. Ferner können die beschriebenen Verfahrensschritte und/oder Systemkomponenten auch in Kombination mit anderen Verfahren und/oder Systemen definiert oder verwendet werden, und sie sind nicht darauf beschränkt, lediglich im Zusammenhang mit dem hier beschriebenen Verfahren und System ausgeführt zu werden. Die obige Beschreibung soll ein spezielles Beispiel eines allgemeinen Prozesses zur Modifikation der Zusammensetzung des Arbeitsfluids innerhalb eines thermodynamischen Kreisprozesses (Brayton-Kreisprozess in dieser Ausführungsform) zur Verbesserung der thermischen, mechanischen, elektrischen oder Emissionswirkungsgrade innerhalb einer industriellen Anlage abdecken und sollte nicht auf die hier beschriebene spezielle Ausführungsform beschränkt sein.
  • Während die Erfindung anhand verschiedener spezieller Ausführungsformen beschrieben worden ist, wird ein Fachmann erkennen, dass die Erfindung innerhalb des Rahmens und Schutzumfangs der Ansprüche mit Modifikationen ausgeführt werden kann.
  • Ein Verbrennungssystem enthält eine Gasturbine 100 und eine Sauerstoffquelle 317, 318, die mit der Gasturbine in Strömungsverbindung gekoppelt, ist. Die Sauerstoffquelle ist eingerichtet, um Sauerstoff zu der Gasturbine zu leiten, um eine Verdrängung von Stickstoff in Verbrennungsgasen, die zu der Gasturbine geleitet werden, zu unterstützen und um eine Reduktion von in der Gasturbine erzeugten Emissionen zu ermöglichen.

Claims (10)

  1. Verbrennungssystem, das aufweist: eine Gasturbine (100); und eine Sauerstoffquelle (317, 318), die in Strömungsverbindung mit der Gasturbine gekoppelt und konfiguriert ist, um Sauerstoff zu der Gasturbine zu leiten, um eine Verdrängung von Stickstoff in Verbrennungsgasen, die zu der Gasturbine geleitet werden, zu ermöglichen und um eine Reduktion von in der Gasturbine erzeugten Emissionen zu ermöglichen.
  2. Verbrennungssystem nach Anspruch 1, wobei die Sauerstoffquelle (317, 318) eine Lufttrenneinheit aufweist.
  3. Verbrennungssystem nach Anspruch 2, wobei die Lufttrenneinheit einen Luftstrom, der in die Lufttrenneinheit eintritt, in einen ersten Strom (317), der einen Sauerstoff angereicherten Gehalt aufweist, und einen zweiten Strom (326) mit einem Stickstoff angereicherten Gehalt auftrennt.
  4. Verbrennungssystem nach Anspruch 3, wobei ein erster Strom (317) ein Sauerstoff angereicherter Strom ist, der zu der Gasturbine (100) geleitet wird, um eine Verbrennung zu unterstützen, während ein zweiter Strom (326) ein Stickstoff angereicherter Strom ist, der zu der Gasturbine geleitet wird, um eine Kühlung der Gasturbine zu unterstützen.
  5. Verbrennungssystem nach Anspruch 2, das ferner wenigstens eine Verdichteranordnung (400) aufweist, die konfiguriert ist, um Druckluft der Lufttrenneinheit zuzuführen.
  6. Verbrennungssystem nach Anspruch 5, wobei die wenigstens eine Verdichteranordnung einen Hauptluftverdichter (402) und einen Booster-Luftverdichter (404) aufweist, der in Strömungsverbindung mit der Lufttrenneinheit gekoppelt ist.
  7. Verbrennungssystem nach Anspruch 2, wobei die Lufttrenneinheit ein kreisprozessbasiertes Kühlsystem aufweist.
  8. Verbrennungssystem nach Anspruch 5, wobei die Gasturbine (100) mit der wenigstens einen Verdichteranordnung (400) mechanisch gekoppelt ist.
  9. Verbrennungssystem nach Anspruch 1, das ferner wenigstens einen Abhitzedampferzeuger (218, 220) aufweist, der stromabwärts von der Gasturbine (100) eingekoppelt ist.
  10. Kombikraftwerksystem, das aufweist: wenigstens eine Sauerstoffquelle (317, 318); eine erste Gasturbine (100), die in Strömungsverbindung mit der wenigstens einen Sauerstoffquelle gekoppelt ist, wobei die Gasturbine stromabwärts von der wenigstens einen Sauerstoffquelle angeordnet ist und einen von der wenigstens einen Quelle abgegebenen Sauerstoffstrom zur Verbrennung empfängt, wobei der Sauerstoffstrom eine Verdrängung von Stickstoff in dem Arbeitsfluid der Gasturbine ermöglicht und eine Reduktion von in der Gasturbine erzeugten Emissionen fördert; und wenigstens einen Abhitzedampferzeuger (218, 220), der in Strömungsverbindung mit der Gasturbine stromabwärts von dieser angeschlossen ist, wobei der wenigstens eine Abhitzedampferzeuger in Strömungsverbindung mit einer Dampfturbine (222) stromaufwärts von dieser angeschlossen ist.
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