DE102009003481B4

DE102009003481B4 - System und Verfahren zur Abgasrückführung (AGR) für Turbinen

Info

Publication number: DE102009003481B4
Application number: DE102009003481.1A
Authority: DE
Inventors: Samer Aljabari; Michael Bowman; Luciano Joseph Cerone; Scott Hoyte
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-02-19
Filing date: 2009-02-13
Publication date: 2019-03-28
Anticipated expiration: 2029-02-14
Also published as: CN101514657A; CN101514657B; CH698566B1; US20090205334A1; DE102009003481A1; JP5536351B2; US8051638B2; CH698566A2; JP2009197797A

Abstract

Verfahren zur Abgasrückführung, das aufweist:
Empfangen (202), über einen Einlassabschnitt, von Einlassluft an einem Eingang eines Verdichters (103, 403 oder 503) ;
Erzeugen (202) von Druckluft an dem Verdichter (103, 403 oder 503) unter Verwendung der empfangenen Einlassluft;
Liefern (204) der Druckluft von dem Verdichter (103, 403 oder 503) zu einer Brennkammer (104, 404 oder 504), wobei die Brennkammer (104, 404 oder 504) eine die Druckluft und einen Brennstoff umfassende Verbrennung herbeiführt;
Empfangen (206) von mit der Verbrennung verbundenen Verbrennungsprodukten an einer Turbinenkomponente (106, 406 oder 506) wobei die Turbinenkomponente Abgase ausgibt; und
Rückführen (210) wenigstens eines Teils der Abgase zu dem Einlassabschnitt über eine Rückführleitung, wobei die rückgeführten Abgase eine Temperatur der Einlassluft erhöhen;
wobei die Abgase durch die Turbinenkomponente (406, 506) zu einem Abhitzedampferzeuger (HRSG) (408, 508) abgegeben werden, wobei der rückgeführte Teil der Abgase von dem HRSG (408, 508) abgeleitet wird;
dadurch gekennzeichnet, dass
die Abgase erste Abgase sind und der HRSG (408, 508) Kondensationsdampf für eine Dampfturbine (409, 509) nacherhitzt, wobei wenigstens ein Teil von zweiten Abgasen aus der Dampfturbine zu der Rückführleitung geleitet wird.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Aspekte von Ausführungsformen der Erfindung betreffen allgemein Turbinen oder Turbinenanlagen und insbesondere die Verwendung der Abgasrückführung (AGR) für Turbinen.
Hintergrund zu der Erfindung
Gasturbinen werden gewöhnlich auf einen optimalen Temperaturbereich abgestimmt. Wenn die Umgebungstemperatur an dem Einlass einer Turbine von dem optimalen Temperaturbereich abweicht, kann die Gasturbine und/oder ein kombinierter Gas- und Dampfturbinenprozess unerwünschte Schwankungen hinsichtlich des Wirkungsgrads, Leistungsverhaltens, der Leistungsabgabe, Belastung, etc. erfahren. Demgemäß besteht ein Bedarf in der Industrie danach, die Umgebungstemperatur des Einlasses der Turbine unter bestimmten Bedingungen auf einer optimalen Temperatur zu halten, um Betriebsschwankungen zu reduzieren.
DE 10 2005 015 151 A1 und US 2005 / 0 076 645 A1 offenbaren jeweils Verfahren und Systeme zur Abgasrückführung, die die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1 bzw. 3 aufweisen.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein technischer Effekt einer Ausführungsform der Erfindung kann in der Reduktion von Betriebsschwankungen und/oder des Einflusses auf die Turbine und/oder auf den kombinierten Gas- und Dampfturbinenprozess liegen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Abgasrückführung geschaffen. Das Verfahren enthält, dass über einen Ansaug- bzw. Einlassabschnitt Einlassluft an einem Eingang eines Verdichters empfangen wird, unter Verwendung der empfangenen Einlassluft an dem Verdichter Druckluft erzeugt wird und die Druckluft von dem Verdichter einer Brennkammer zugeführt wird, wobei die Brennkammer eine die Druckluft und einen Brennstoff umfassende Verbrennung herbeiführt. Das Verfahren enthält ferner einen Empfang von mit der Verbrennung verbundenen Verbrennungsprodukten an einer Turbinenkomponente, wobei die Turbinenkomponente Abgase abgibt, und eine Rückführung wenigstens eines Teils der Abgase zu dem Einlassabschnitt über eine Rückführungsleitung enthalten, wobei die rückgeführten Abgase eine Temperatur der Einlassluft erhöhen. Das Verfahren enthält ferner ein Abgeben der Abgase durch die Turbinenkomponente zu einem Abhitzedampferzeuger (HRSG), wobei der rückgeführte Teil der Abgase von dem HRSG abgeleitet wird. Das Verfahren enthält ferner, dass die Abgase erste Abgase sind und der HRSG Kondensationsdampf für eine Dampfturbine nacherhitzt, wobei wenigstens ein Teil von zweiten Abgasen aus der Dampfturbine zu der Rückführleitung geleitet wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein System zur Abgasrückführung geschaffen. Das System enthält: einen Verdichter, wobei der Verdichter Einlassluft über einen Ansaug- bzw. Einlassabschnitt empfängt und unter Verwendung der empfangenen Einlassluft Druckluft erzeugt, eine Brennkammer, die Brennstoff und durch den Verdichter erzeugte Druckluft empfängt, wobei die Brennkammer eine Verbrennung herbeiführt, die die Druckluft und den Brennstoff umfasst, und eine Turbinenkomponente, die mit der Verbrennung verbundene Verbrennungsprodukte empfängt, wobei die Turbinenkomponente Abgase ausgibt. Das System kann ferner eine Rückführungsleitung enthalten, um wenigstens einen Teil der Abgase zu dem Ansaug- bzw. Einlassabschnitt strömen zu lassen, wobei die rückgeführten Abgase eine Temperatur der Einlassluft steigern. In dem System werden die Abgase durch die Turbinenkomponente zu einem Abhitzedampferzeuger (HRSG) abgegeben, wobei der rückgeführte Teil der Abgase von dem HRSG abgeführt wird. Ferner stellen die Abgase erste Abgase dar, wobei der HRSG Kondensationsdampf für eine Dampfturbine nacherhitzt und wenigstens ein Teil von zweiten Abgasen aus der Dampfturbine zu der Rückführleitung geführt wird.
Figurenliste
Nachdem somit Aspekte der Erfindung allgemein beschrieben worden sind, wird nun auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die nicht notwendigerweise maßstabsgetreu eingezeichnet sind:

1 veranschaulicht ein Beispiel eines Turbinensystems, das eine Abgasrückführung nutzt, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
2 veranschaulicht eine Funktionsweise des Turbinensystems nach 1 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
3 veranschaulicht ein Steuerungs-/Regelmodul zum Betreiben einer Gasturbine, einschließlich einer Abgasrückführung für die Gasturbine, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
4 und 5 veranschaulichen alternative Beispiele von Turbinensystemen, die eine Abgasrückführung nutzen, gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung.
6 liefert ein beispielhaftes Diagramm, das einen Einfluss von Schwankungen der Umgebungstemperatur auf die Leistungsabgabe (kW), die Effizienz bzw. den Wirkungsgrad (EFF) und den kombinierten Gas- und Dampfturbinenprozess (cc) aufzeigt, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der Erfindung sind nachstehend in größeren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen einige Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht sind. Diese Erfindung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen verwirklicht sein und sollte nicht derart ausgelegt werden, als würde sie auf die hier angegebenen Ausführungsformen beschränkt sein; vielmehr sind diese Ausführungsformen vorgesehen, damit diese Offenbarung gründlich und vollständig ist und einem Fachmann den Umfang der Erfindung vollständig vermittelt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen durchwegs gleiche bzw. ähnliche Elemente.
Allgemein können Ausführungsformen der Erfindung Systeme und Verfahren zur Rückführung von Abgasen zu dem Einlauf (z.B. Einlass) der Turbine ergeben. Durch Rückführung der Abgase kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung die Umgebungstemperatur der Einlassluft der Turbine geeignet angehoben werden. In der Tat kann die Rückführung der Abgase eine Reduktion der Betriebsschwankungen und des Einflusses auf die Bestandteile der Turbine ermöglichen. Beispielhafte Aspekte der Rückführung können gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung einen oder mehrere der folgenden enthalten: Enteisung, Reduktion der Verbrennungsdynamik, Beseitigung der Abstimmung auf einen weiten Umgebungstemperaturbereich, Beseitigung oder Reduktion einer Notwendigkeit einer Einlassluftabzapfung und -erhitzung (IBH, Inlet Bleed Heat), Reduktion einer übermäßigen Belastung des Motors, Minimierung der Gefahr eines Verdichterpumpens.
1 veranschaulicht ein Beispiel eines Turbinensystems 100, das eine Abgasrückführung verwendet, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. In 1 ist eine Turbine 102, beispielsweise eine Gasturbine, vorhanden, die gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung einen Verdichter 103, eine Brennkammer 104, einen Rotor oder eine Welle 105, eine Turbinenkomponente 106 und einen Generator 108 aufweist. Der Rotor oder die Welle 105 kann den Verdichter 103 und die Turbinenkomponente 106 direkt physisch miteinander verbinden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können der Verdichter 103 und die Turbinenkomponente 106 oder wenigstens ein Teil derselben gemeinsam mit dem Rotor oder der Welle 105 drehbar sein. In gleicher Weise kann der Generator 108 (z.B. eine Last) mit dem Rotor oder der Welle 105 verbunden sein. Es ist verständlich, dass, obwohl 1 den Generator 108 veranschaulicht, wie er in einem vorderen Abschnitt der Turbine 102 positioniert ist, diese Darstellung lediglich Anschaulichungszwecken dient, so dass der Generator 108 in gleicher Weise in einem hinteren Abschnitt der Turbine positioniert werden könnte, ohne dass von Ausführungsformen der Erfindung abgewichen wird.
Die Betriebsweise des Turbinensystems gemäß 1 ist nachstehend in Bezug auf das Flussdiagramm gemäß 2 erläutert. In Block 202 empfängt der Verdichter 103 Einlassluft über einen Ansaug- bzw. Einlassabschnitt der Turbine 102. Da die Einlassluft durch den Verdichter 103 hindurch geführt wird, steigt der Druck der Luft, und es wird Druckluft an dem Ausgang des Verdichters 103 erzeugt. Die an dem Ausgang des Verdichters 103 erzeugte Druckluft oder wenigstens einen Teil derselben kann der Brennkammer 104 zugeführt werden. In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann der Verdichter 103 mehrere drehbare Bläserlaufschaufeln aufweisen, um Luft durch den Verdichter strömen zu lassen, um die Druckluft zu erzeugen.
In Block 204 kann die Brennkammer 104 die Druckluft gemeinsam mit einem Brennstoff, beispielsweise einem Erdöl basierten Brennstoff (z.B. Kerosin, Düsentreibstoff, etc.), Propan, Erdgas oder einem anderen entzündbaren Brennstoff oder Gas, empfangen. Allgemein kann die Brennkammer 104 unter Verwendung der Druckluft und des Brennstoffs eine Verbrennung erzeugen. Infolge der Verbrennung können Verbrennungsprodukte, wie beispielsweise heiße Gase, erzeugt werden. Die Verbrennungsprodukte werden anschließend aus der Brennkammer 104 zu der Turbinenkomponente 106 geliefert oder ausströmen gelassen, wie dies in Block 206 veranschaulicht ist. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können die Verbrennungsprodukte durch die Turbinenkomponente 106 strömen und Laufschaufeln der Turbinenkomponente 106 bewegen (z.B. in Drehung versetzen). In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Bewegung der Schaufeln der Turbinenkomponente 106 gleichfalls den Verdichter 103 und den Generator 108 über den Rotor oder die Welle 105 antreiben. Anschließend können Abgase durch die Turbinenkomponente 106 über einen Abgasstrang bzw. -abschnitt der Turbine 102 ausgelassen werden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Temperatur der Abgase in dem Bereich von 150-180°F (ungefähr 65,56-82,22°C) liegen. Jedoch können in anderen Ausführungsformen der Erfindung die Abgase auch in anderen Temperaturbereichen liegen, einschließlich Temperaturen, die niedriger sind als 150°F (ungefähr 65,56°C) oder die höher sind als 180°F (ungefähr 82,22°C). Während hier anschauliche Temperaturbereiche angegeben sind, versteht es sich, dass diese Temperaturbereiche lediglich Veranschaulichungszwecken dienen und nicht dazu bestimmt sind, den mit beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung verbundenen Betriebstemperaturbereich zu beschränken.
In Block 208 kann ein der Turbine 102 zugeordnetes Steuer/Regelmodul gegebenenfalls über einen Temperatursensor bestimmen, ob eine Umgebungstemperatur an dem Einlauf- bzw. Einlassabschnitt der Turbine kleiner ist als eine optimale oder gewünschte/vorbestimmte Temperatur oder ein optimaler oder gewünschter/vorbestimmter Temperaturbereich (z.B. eine ISO-Einlasstemperatur). Wenn das Steuer-/Regelmodul feststellt, dass die Temperatur an dem Einlassabschnitt erhöht werden muss, kann das Steuer-/Regelmodul anschließend wenigstens einem Teil der Abgase ermöglichen, in eine Rückführleitung (z.B. Rohrleitung) eingeführt oder gerichtet zu werden, die durch einen oder mehrere Ventile 110 gesteuert/geregelt ist, wie dies in Block 210 angegeben ist. Durch Einstellung einer Position (z.B. Schließstellung, einer oder mehrerer Offenstellungen) eines oder mehrere Ventile 110, kann die Menge der rückgeführten Abgase entsprechend eingestellt werden. Beispielsweise können in einer anschaulichen Ausführungsform der Erfindung Abgase in der Größenordnung von 10% bis 60% der Abgase zu der Rückführleitung geführt werden. Es versteht sich, dass der Anteil der rückgeführten Abgase in der Größenordnung außerhalb des erläuterten Bereiches von 10% bis 60% eingestellt werden kann, ohne dass von Ausführungsformen der Erfindung abgewichen wird. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann zwischen einem Einlass (z.B. Einlauf) und einem Auslass der Turbine 102 eine Druckdifferenz vorliegen, so dass folglich keine Druckbeaufschlagung benötigt werden muss, um das rückgeführte Abgase entlang der Rückführleitung zu dem Einlassabschnitt der Turbine 102 strömen zu lassen. Jedoch kann in einer alternativen Ausführungsform der Erfindung eine Druckbeaufschlagung, die gegebenenfalls durch ein oder mehrere Gebläse erzeugt sein kann, dazu verwendet werden, das Abgas auch in der Rückführleitung zu bewegen oder zusätzlich zu bewegen.
Außerdem kann die Rückführleitung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung optional entweder einen Wärmetauscher 111 oder einen Filter 112 oder beide enthalten. Der Wärmetauscher 111 kann die Temperatur der Abgase in der Rückführleitung verringern oder reduzieren, bevor sie dem Einlassabschnitt zugeführt werden. Der Wärmetauscher 111 kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung ein Kühler sein. In gleicher Weise kann der Filter 112 im Betrieb wirksam sein, um Feststoffe aus den rückgeführten Abgasen zu beseitigen. Es versteht sich auch, dass optional in der Rückführleitung oder an einer Stelle, bevor die Abgase in die Rückführleitung eindringen, ein Katalysator als eine Nachbehandlungseinrichtung für die Abgase vorgesehen sein kann. Der Katalysator kann im Betrieb wirksam sein, um aus den Abgasen Schadstoffe bzw. Verunreinigungen zu entfernen. Beispielsweise kann ein SCR-Katalysator (zur selektiven katalytischen Reduktion) eingesetzt werden, um Stickoxide (NO_x) aus den Abgasen zu entfernen.
Weiterhin bezugnehmend auf Block 210 können alle Abgase, die nicht der Rückführleitung zugeführt werden, zu einem Abgasschacht 107 geliefert werden, der mit der Turbinenkomponente 106 verbunden ist und der die Abgase, gegebenenfalls in die Atmosphäre, entlässt. Es ist verständlich, dass in alternativen Ausführungsformen der Erfindung die Abgase ebenfalls wieder aufgefangen werden können, um beim Antrieb einer Dampfturbine oder einer sonstigen Vorrichtung verwendet zu werden.
Erneut bezugnehmend auf Block 208 kann das Steuermodul bestimmen, dass die Temperatur in dem Einlassabschnitt nicht erhöht werden muss, so dass in diesem Fall die Abgase dem Abgasschacht 107 zugeführt werden, wie dies durch den Block 212 angegeben ist. Jedoch versteht es sich, dass alternativ die Abgase auch zur Verwendung beim Antrieb einer Dampfturbine wieder aufgefangen werden können.
Ein Steuer- bzw. Regelmodul, das eine Gasturbine, einschließlich der Abgasrückführung für die Gasturbine, steuert/regelt, ist nachstehend in Zusammenhang mit 3 in weiteren Einzelheiten beschrieben. Wie in 3 veranschaulicht, kann ein Steuer-/Regelmodul 302, beispielsweise ein Model basiertes Steuer-/Regelmodul (MBC-Modul, Model-based Control Module) Daten von einem oder mehreren Sensoren 306 empfangen und Steuersignale zu einem oder mehreren Aktuatoren 304 sowie zu dem Steuer-/Regelventil 110 und dem Wärmetauscher 111 der Rückführleitung liefern. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können die Aktuatoren den Brennstoffdurchsatz, die Stellung der Einlassleitschaufeln und den Einlassabzapfhitze-Luftstrom für die Turbine entsprechend einer gewünschten Betriebsweise der Turbine 102 passend einstellen. Die Sensoren 306 können Temperatursensoren enthalten, die eine Umgebungstemperatur an einem Einlassabschnitt der Turbine 102 (z.B. dem Eingang des Verdichters), an dem Abgasabschnitt der Turbine oder an einer anderen Stelle an der Turbine 102 oder um diese herum bestimmen. Es ist verständlich, dass die Sensoren 306 auch andere Sensoren, einschließlich Sensoren zur Erfassung des Verdichterauslassdrucks (PCD, Compressor Discharge Pressure), der Verdichterauslasstemperatur (TCD, Compressor Discharge Temperature) und der Ausgangsleistung (MW), enthalten können.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann ein Temperatursensor 102 an einem Einlassabschnitt Temperaturdaten zu dem Steuer-/Regelmodul 302 liefern. Basierend auf diesem Temperatursensor kann das Steuer-/Regelmodul 302 feststellen, dass die Umgebungstemperatur an dem Einlassabschnitt kleiner ist als die/der optimale oder gewünschte/vorbestimmte Temperatur oder Temperaturbereich. In dieser Situation kann das Steuer-/Regelmodul 302 die Menge von Abgasen, die zu der Rückführleitung umgelenkt werden, durch Einstellung einer Position des Ventils 110 (z.B. durch Positionieren des Ventils 110 in eine oder mehrere Offenstellungen) unter Verwendung eines oder mehrerer Steuersignale erhöhen. In gleicher Weise kann das Steuer-/Regelmodul 302 auch den Wärmetauscher 111 in der erforderlichen Weise betreiben, um die Temperatur der Abgase in der Rückführleitung zu reduzieren. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann der Wärmetauscher 111 ferner einen Mechanismus zur Abführung des von dem Betrieb des Wärmetauschers 111 herrührenden Kondensats enthalten.
Es ist verständlich, dass an dem Turbinensystem, wie es in Bezug auf die 1-3 vorstehend erläutert ist, viele Modifikationen vorgenommen werden können. Während die 4 und 5 nachstehend einige alternative Ausführungsformen des Turbinensystems veranschaulichen, versteht es sich, dass noch weitere Variationen verfügbar sind, ohne dass von den Ausführungsformen der Erfindung abgewichen wird.
4 veranschaulicht ein Turbinensystem 400, das sowohl eine Gasturbine 402 als auch eine Dampfturbine 409 enthält, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Wie in 4 veranschaulicht, kann die Gasturbine 402, die der Turbine 102 nach 1 ähnlich ist, einen Verdichter 403, eine Brennkammer 404, einen Rotor oder eine Welle 405, eine Turbinenkomponente 406 und einen Generator 408 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung enthalten. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können die Abgase von der Turbinenkomponente 406 einem Abhitzedampferzeuger (HRSG, Heat Recovery Steam Generator) 408 zugeführt werden, um Dampf von einer Dampfturbine 409 wieder zu erhitzen. Insbesondere kann Kondensationsdampf von der Dampfturbine 409 durch den HRSG 408 empfangen werden, und nacherhitzter Dampf kann zu der Dampfturbine 409 zurückgeführt werden. Die Dampfturbine 409 kann dann einen Generator 410 über einen Rotor oder eine Welle 411 antreiben. Die Abgase aus der Dampfturbine 409 können in gleicher Weise zu dem HRSG 408 über eine Dampfturbinenrückführleitung zurückgeführt werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können die Abgase, die zu der Rückführleitung für die Gasturbine 402 geleitet werden, von dem HRSG 408 bereitgestellt werden. Insbesondere kann ein Steuer-/Regelmodul das Ventil 412 einstellen, um gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung eine Rezirkulationsströmung wenigstes eines Teils der durch den HRSG 408 aufgefangenen Abgase zu führen. Wie in 4 veranschaulicht, kann eine Quelle dieser Abgase an dem HRSG 408 die Gasturbine 402 und/oder die Dampfturbine 408 enthalten. Eine weitere Quelle für Abgase kann durch ein oder mehrere Heizelemente innerhalb des HRSG 408 gebildet sein. Zusätzlich zu der Steuerung des Ventils 412 kann das Steuer-/Regelventil gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung auch den Kühler 413 betreiben, um die Temperatur der Abgase für die Rückführleitung für die Gasturbine 402 zu verringern. Es ist ferner verständlich, dass in dem Fall, dass der Filter 414 ein elektronisch gesteuerter Filter ist, dieser in gleicher Weise durch das Steuer-/Regelmodul gesteuert/geregelt sein kann, um zu helfen, Feststoffe aus den Abgasen in der Rückführleitung zu beseitigen.
5 veranschaulicht ein Turbinensystem 500, das sowohl eine Gasturbine 502 als auch eine Dampfturbine 509 enthält, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Die Gasturbine 502, die der Turbine 102 gemäß 1 ähnlich ist, kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung einen Verdichter 503, eine Brennkammer 504, einen Rotor oder eine Welle 505, eine Turbinenkomponente 506 und einen Generator 508 aufweisen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können die Abgase aus der Turbinenkomponente 506 einem Abhitzedampferzeuger (HRSG) 508 zum Nacherhitzen des Dampfs aus einer Dampfturbine 509 zugeführt werden. Insbesondere kann Kondensationsdampf aus der Dampfturbine 509 durch den HRSG 508 empfangen werden, und nacherhitzter Dampf kann der Dampfturbine 509 zurückgegeben werden. Die Dampfturbine 509 kann dann einen Generator 510 über einen Rotor oder eine Welle 511 antreiben.
Wie in 5 veranschaulicht, können drei Ventile vorhanden sein, die die Rückführung von Abgasen zu dem Einlassabschnitt der Gasturbine 502 steuern bzw. regeln können. Beispielsweise können Ventile 512 und 513 bestimmen, ob Abgase aus der Dampfturbine 509 zu dem HRSG 508, zu der Rückführleitung für den Einlassabschnitt der Gasturbine 502 oder zu beiden geführt werden. Wenn beispielsweise das Ventil 512 geschlossen wäre und das Ventil 513 geöffnet wäre, würden die Abgase dem Einlassabschnitt, jedoch nicht dem HRSG 508 zugeführt werden. Alternativ können beide Ventile 512 und 513 offen sein, und ein erster Teil der Abgase kann zu dem HRSG 508 geleitet werden, während ein zweiter Teil der Abgase zu der Rückführleitung für den Einlassabschnitt der Gasturbine 502 geleitet werden kann. Andererseits kann das Ventil 513 geschlossen sein, während das Ventil 512 geöffnet sein kann, um Abgase zu dem HRSG 508, jedoch nicht zu der Rückführleitung für den Einlassabschnitt der Gasturbine 502 zu führen. Außerdem kann das Ventil 514 vorgesehen sein, um eine Menge der Abgase von dem HRSG 508, die zu dem Einlassabschnitt der Turbine 502 über die Rückführleitung geleitet wird, zu steuern. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann das Steuer-/Regelmodul die Quelle der Abgase - d.h., von dem HRSG 508 und/oder der Dampfturbine 509 - zum Zuführen zu der Rückführleitung für den Einlassabschnitt der Gasturbine 502 festlegen. Wenn beispielsweise die Temperaturdifferenz an dem Einlass groß ist, können Abgase höherer Temperatur von dem HRSG 508 für die Rückführleitung bereitgestellt werden. Andererseits können, wenn die Temperaturdifferenz an dem Einlass kleiner ist, Abgase geringerer Temperatur von der Dampfturbine 509 für die Rückführleitung bereitgestellt werden.
Es versteht sich, dass viele Veränderungen an den hier beschriebenen Turbinensystemen möglich sind. Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung können die rückgeführten Abgase nicht unmittelbar mit der Einlassluft vermischt werden, um die Temperatur der Einlassluft zu steigern. Stattdessen kann Wärme aus den rückgeführten Abgasen in der Rückführleitung über einen oder mehrere Wärmeableitmechanismen, einschließlich Kühlkörper oder -rippen, die der Rückführleitung zugeordnet sind, erhalten werden. Auf diese Weise kann es gegebenenfalls nicht nötig sein, leistungsmindernde Gase, wie beispielsweise NO_x, in das Turbinensystem wieder einzubringen.
6 veranschaulicht ein beispielhaftes Diagramm, das einen Einfluss von Umgebungstemperaturschwankungen auf die Gasturbinenausgangsleistung (kW), den Wirkungsgrad (EFF) und den kombinierten Gas- und Dampfturbinenprozess (cc, combined cycle) gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung aufzeigt. Wie in 6 veranschaulicht, kann eine optimale Temperatur bei der oder um die Temperatur eines ISO-Datums 602 herum liegen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Temperatur des ISO-Datums 602 in etwa 59°F betragen.
Mit der Unterstützung der in der vorstehenden Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen dargebotenen Lehre werden sich einem Fachmann, an den sich die vorliegende Erfindung richtet, viele weitere Modifikationen und weitere Ausführungsformen der hier erläuterten Erfindung erschließen. Folglich ist es zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf die speziell offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein soll und dass Modifikationen und weitere Ausführungsformen in dem Schutzumfang der beigefügten Ansprüche enthalten sein sollen. Obwohl hier spezielle Bezeichnungen verwendet werden, werden sie lediglich im gattungsgemäßen und beschreibenden Sinne und nicht für den Zweck einer Beschränkung verwendet.
Es sind Systeme und Verfahren zur Abgasrückführung geschaffen. Die Systeme und Verfahren können enthalten, dass über einen Einlassabschnitt Einlassluft an einem Eingang eines Verdichters 103, 104 oder 503 empfangen wird, an dem Verdichter 103, 104 oder 503 mit der empfangenen Einlassluft Druckluft erzeugt wird und die Druckluft von dem Verdichter 103, 104 oder 503 einer Brennkammer 104, 404 oder 504 zugeführt wird, wobei die Brennkammer 104, 404 oder 504 eine Verbrennung herbeiführt, die die Druckluft und einen Brennstoff umfasst. Die Systeme und Verfahren können ferner einen Empfang von mit der Verbrennung in Zusammenhang stehenden Verbrennungsprodukten an einer Turbinenkomponente 106, 406 oder 506, wobei die Turbinenkomponente 106, 406, 506 Abgase ausgibt, und eine Rückführung wenigstens eines Teils der Abgase zu dem Einlassabschnitt über eine Rückführleitung enthalten, wobei die rückgeführten Abgase eine Temperatur der Einlassluft steigern.
Bezugszeichenliste

100: System
102: Turbinenanlage
103: Verdichter
104: Brennkammer
105: Rotor oder Welle
106: Turbinenkomponente
108: Generator
110: Ventile
111: Wärmetauscher
112: Filter
202-212: Blöcke
302: Steuer-/Regelmodul
304: Aktuatoren
306: Sensoren
400: Turbinensystem
402: Gasturbine
403: Verdichter
404: Brennkammer
405: Rotor oder Welle
406: Turbinenkomponente
407: Generator
408: Abhitzedampferzeuger (HRSG)
409: Dampfturbine
410: Antriebsgenerator
411: Rotor oder Welle
412: Ventil
413: Kühler
414: Filter
500: Turbinensystem
502: Gasturbine
503: Verdichter
504: Brennkammer
505: Rotor oder Welle
506: Turbinenkomponente
508: Abhitzedampferzeuger (HRSG)
509: Dampfturbine
510: Generator
511: Rotor oder Welle
512-514: Ventile
602: ISO-Datum

Claims

Verfahren zur Abgasrückführung, das aufweist: Empfangen (202), über einen Einlassabschnitt, von Einlassluft an einem Eingang eines Verdichters (103, 403 oder 503) ; Erzeugen (202) von Druckluft an dem Verdichter (103, 403 oder 503) unter Verwendung der empfangenen Einlassluft; Liefern (204) der Druckluft von dem Verdichter (103, 403 oder 503) zu einer Brennkammer (104, 404 oder 504), wobei die Brennkammer (104, 404 oder 504) eine die Druckluft und einen Brennstoff umfassende Verbrennung herbeiführt; Empfangen (206) von mit der Verbrennung verbundenen Verbrennungsprodukten an einer Turbinenkomponente (106, 406 oder 506) wobei die Turbinenkomponente Abgase ausgibt; und Rückführen (210) wenigstens eines Teils der Abgase zu dem Einlassabschnitt über eine Rückführleitung, wobei die rückgeführten Abgase eine Temperatur der Einlassluft erhöhen; wobei die Abgase durch die Turbinenkomponente (406, 506) zu einem Abhitzedampferzeuger (HRSG) (408, 508) abgegeben werden, wobei der rückgeführte Teil der Abgase von dem HRSG (408, 508) abgeleitet wird; dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase erste Abgase sind und der HRSG (408, 508) Kondensationsdampf für eine Dampfturbine (409, 509) nacherhitzt, wobei wenigstens ein Teil von zweiten Abgasen aus der Dampfturbine zu der Rückführleitung geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner aufweist: Empfangen von Temperaturdaten von einem Sensor (306) an einem Steuer-/Regelmodul (302), wobei basierend wenigstens zum Teil auf den empfangenen Temperaturdaten das Steuer-/Regelmodul (302) im Betrieb wirksam ist, um eine Menge der Abgase, die über die Rückführleitung zu dem Einlassabschnitt rückgeführt wird, zu steuern/regeln.
System zur Abgasrückführung, das aufweist: einen Verdichter (103, 403 oder 503) wobei der Verdichter (103, 403 oder 503) Einlassluft über einen Einlassabschnitt empfängt und unter Verwendung der empfangenen Einlassluft Druckluft erzeugt; eine Brennkammer (104, 404 oder 504), die Brennstoff und die durch den Verdichter (103, 403 oder 503) erzeugte Druckluft empfängt, wobei die Brennkammer (104, 404 oder 504) eine die Druckluft und den Brennstoff umfassende Verbrennung herbeiführt; eine Turbinenkomponente (106, 406 oder 506), die mit der Verbrennung verbundene Verbrennungsprodukte empfängt, wobei die Turbinenkomponente Abgase abgibt; und eine Rückführleitung zur Rückführung wenigstens eines Teils der Abgase zu dem Einlassabschnitt, wobei die rückgeführten Abgase eine Temperatur der Einlassluft erhöhen; wobei die Abgase durch die Turbinenkomponente (406 oder 506) zu einem Abhitzedampferzeuger (HRSG) (408 oder 508) abgegeben werden, wobei der rückgeführte Teil der Abgase von dem HRSG (408 oder 508) abgeführt wird; dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase erste Abgase darstellen, wobei der HRSG (408 oder 508) Kondensationsdampf für eine Dampfturbine nacherhitzt und wobei wenigstens ein Teil von zweiten Abgasen von der Dampfturbine zu der Rückführleitung geführt wird.
System nach Anspruch 3, das ferner einen in der Rückführleitung enthaltenen Wärmetauscher (111, 413 oder 515) aufweist, der wirksam ist, um eine Temperatur der Abgase in der Rückführleitung zu verringern.
System nach Anspruch 3, das ferner aufweist: ein Steuer-/Regelmodul (302), wobei das Steuer-/Regelmodul (302) Temperaturdaten von einem Sensor empfängt und basierend wenigstens zum Teil auf den empfangenen Temperaturdaten ein Ventil (110, 412 oder 512-514) zur Rückführung wenigstens eines Teils der Abgase zu dem Einlassabschnitt über eine Rückführleitung steuert/regelt.
System nach Anspruch 3, das ferner aufweist: einen Katalysator zur Behandlung der durch die Turbinenkomponente (106, 406 oder 506) ausgegebenen Abgase, wobei der Katalysator Schadstoffe aus den Abgasen entfernt.