DE102011008009A1 - Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine und Gasturbine - Google Patents

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Abstract

Eine Gasturbine (1) enthält einen Kompressor (2), der einer oder mehreren Verbrennungsvorrichtungen (3, 5) ein Oxidans zuführt, wobei Kraftstoff injiziert und verbrannt wird, um Heißgase zu erzeugen, die in einer Turbine (4, 6) expandiert werden. Die von der Turbine (4, 6) ausgeströmten Rauchgase werden teilweise in den Kompressor (2) zurückgeführt. Der Kraftstoff ist ein gasförmiger Kraftstoff, der über zwei oder mehr Stufen (20, 22, 23) in die Verbrennungsvorrichtungen (3, 5) injiziert wird. Eine der Stufen ist eine Pilotstufe (20), in die entlang einer Längsachse (21) der Verbrennungsvorrichtung (3, 5) oder einer dazu parallelen Achse Kraftstoff injiziert wird.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine und eine Gasturbine. Insbesondere wird im Folgenden auf eine Gasturbine Bezug genommen, deren Rauchgase teilweise zurückgeführt werden und teilweise einer CO2-Einfanganlage zugeführt werden.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1 zeigt ein Beispiel einer Kraftanlage mit einer sequentiellen Verbrennungsgasturbine 1, die einen Kompressor 2 enthält, der eine Verbrennungsvorrichtung 3 versorgt, in die ein Kraftstoff injiziert und darin verbrannt wird, wodurch Heißgase gebildet werden, die in einer Hochdruckturbine 4 expandiert werden; die Rauchgase von der Hochdruckturbine 4 werden in eine zweite Verbrennungsvorrichtung 5 eingespeist, in die weiterer Kraftstoff injiziert und darin verbrannt wird, wodurch Heißgase gebildet werden, die in einer Niederdruckturbine 6 weiter expandiert werden.
  • Die Rauchgase von der Niederdruckturbine 6 werden in einen Wärmetauscher 7 eingespeist, um einer Dampfturbinenanlage 8 Energie zuzuführen.
  • Nachdem die Rauchgase durch den Wärmetauscher 7 gegangen sind, gehen sie durch einen Kühler, wo sie gekühlt werden, um dann in einen Ableiter 9 eingeleitet zu werden, wo ein erster Rauchgasstrom in einen Mischer 10 abgeleitet wird, um mit Frischluft vermischt zu werden und ein Gemisch zu bilden, das dem Kompressor 2 zugeführt wird.
  • Vom Ableiter 9 wird ein zweiter Rauchgasstrom in eine CO2-Einfanganlage 11 abgeleitet.
  • Diese Kraftanlage lässt das Steuern und Verringern der CO2-Emissionen zu, jedoch kann sie in manchen Fällen verschiedene Nachteile hervorrufen.
  • Tatsächlich ist aufgrund dessen, dass die Verbrennungsvorrichtungen mit einem Oxidans (nämlich dem Gemisch aus zurückgeführten Rauchgasen und Frischluft) arbeiten, das eine niedrigere Sauerstoffkonzentration als Frischluft besitzt, während des Betriebs die Flammenstabilität, verglichen mit der Flammenstabilität von mit Frischluft betriebenen Verbrennungsvorrichtungen, geringer.
  • Dies kann Pulsationen verursachen und die Ausblastemperatur erhöhen und so die betriebliche Flexibilität verringern; zusätzlich können auch der unverbrannte Kohlenwasserstoff und die CO-Emissionen zunehmen, vor allem bei Teillastbetrieb.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Das technische Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Verfahren und eine Gasturbine zu schaffen, durch die die Probleme des Standes der Technik beseitigt sind.
  • Innerhalb des Bereichs dieses technischen Ziels ist es ein Aspekt der Erfindung, ein Verfahren und eine Gasturbine zu schaffen, die den stabilen Betrieb auch dann ermöglichen, wenn die Gasturbine mit einem Gemisch aus Frischluft und zurückgeführten Rauchgasen gespeist wird. Insbesondere wird während des Betriebs die Flammenstabilität in Bezug auf herkömmliche Gasturbinen erhöht.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist, ein Verfahren und eine Gasturbine zu schaffen, die, verglichen mit herkömmlichen Gasturbinen, während des Betriebs geringere Pulsationen erzeugen und eine größere betriebliche Flexibilität besitzen.
  • Außerdem sind unverbrannter Kohlenwasserstoff und CO-Emissionen geringer als bei herkömmlichen Gasturbinen.
  • Zusammen mit diesen und weiteren Aspekten wird das technische Ziel gemäß der Erfindung dadurch erreicht, dass ein Verfahren und eine Gasturbine in Übereinstimmung mit den begleitenden Ansprüchen geschaffen werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlicher aus der Beschreibung einer bevorzugten, jedoch nicht ausschließlichen Ausführungsform des Verfahrens und der Gasturbine gemäß der Erfindung, die durch nicht einschränkendes Beispiel in der begleitenden Zeichnung erläutert ist, worin:
  • 1 eine schematische Ansicht einer Kraftanlage ist;
  • 2 eine schematische Ansicht einer Verbrennungsvorrichtung in einer Ausführungsform der Erfindung ist; und
  • 3 eine schematische Ansicht einer anderen Verbrennungsvorrichtung in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist.
  • GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • In den Figuren ist unter Verwendung gleicher oder ähnlicher Bezugszeichen für Elemente, die gleich bereits beschriebenen Elementen sind, eine Gasturbine 1 gezeigt, die einen Kompressor 2 enthält, der wenigstens einer Verbrennungsvorrichtung 3 ein komprimiertes Oxidans zuführt; in die Verbrennungsvorrichtung 3 wird Kraftstoff injiziert, der darin verbrannt wird, um Heißgase zu erzeugen, die in einer Hochdruckturbine 4 expandiert werden.
  • Zusätzlich besitzt die Gasturbine 1 auch eine zweite Verbrennungsvorrichtung 5, in die verbrannte Gase, die von der Hochdruckturbine 4 kommen und noch teilweise aus Sauerstoff bestehen, zusammen mit weiterem Kraftstoff eingeleitet werden. Dieser weitere Kraftstoff wird so verbrannt, wodurch Heißgase erzeugt werden, die in einer Niederdruckturbine 6 (sequentiellen Verbrennungsgasturbine) expandiert werden.
  • Obwohl speziell eine Verbrennungsgasturbine beschrieben worden ist, kann in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung die Gasturbine auch eine herkömmliche Gasturbine sein, die einen Kompressor, eine Verbrennungsvorrichtung und eine Turbine, jedoch keine zweite Verbrennungsvorrichtung und keine Niederdruckturbine enthält.
  • Im Folgenden wird Bezug auf die sequentielle Verbrennungsgasturbine genommen, wobei die Modifikation des Verfahrens und der Gasturbine, die sie an eine herkömmliche Gasturbine anpasst, die keine sequentielle Verbrennungsgasturbine ist, naheliegend ist und folglich nicht im Detail beschrieben wird.
  • Die von der Niederdruckturbine 6 ausgeströmten Rauchgase werden teilweise in den Kompressor 2 zurückgeführt.
  • Diesbezüglich gehen diese Rauchgase durch den Wärmetauscher 7, wo sie abgekühlt werden, um das in einer Dampfturbinenanlage 8 zirkulierende thermodynamische Fluid zu erwärmen, und dann durch einen weiteren Kühler 15, wo sie weiter abgekühlt werden.
  • Danach treten die Rauchgase in den Ableiter 9 ein, so dass ein erster Anteil davon (über einen Kompressor 16) in einen Mischer 10 abgeleitet wird, wo sie mit Frischluft vermischt werden, um ein Gemisch zu bilden, das jenes Oxidans ist, das in den Kompressor 2 eingespeist wird.
  • Ein zweiter Anteil der Rauchgase wird (über einen Kompressor 17) in eine CO2-Einfanganlage 11 abgeleitet, wo CO2 separiert und gespeichert wird, beispielsweise in flüssiger Form.
  • In die Verbrennungsvorrichtung 3 und/oder die Verbrennungsvorrichtung 5 wird gasförmiger Kraftstoff über wenigstens zwei Stufen injiziert, wobei eine der Stufen eine Pilotstufe 20 ist, in die Kraftstoff entlang einer Längsachse 21 der Verbrennungsvorrichtung oder einer dazu parallelen Achse injiziert wird.
  • Somit wird gemäß dem vorliegenden Verfahren vorzugsweise nur gasförmiger Kraftstoff, jedoch kein flüssiger Kraftstoff in die Verbrennungskammer 3 und/oder die Verbrennungsvorrichtung 5 injiziert.
  • Speziell zeigt 2 eine Verbrennungsvorrichtung 3, die die erste Verbrennungsvorrichtung einer sequentiellen Verbrennungsgasturbine ist.
  • In 3 gibt das Bezugszeichen 20 die Pilotstufe an, das Bezugszeichen 22 die erste Stufe und das Bezugszeichen 23 die zweite Stufe.
  • Die Verbrennungsvorrichtung 3 enthält eine im Wesentlichen konische Mischkammer 25 an, wobei sich entlang ihrer Längsachse 21 ein Strahlrohr 26 erstreckt und stromabwärts von der Mischkammer 25 eine Verbrennungskammer 27 befindet.
  • Die Mischkammerwand weist tangentiale Schlitze 29 für Oxidanseintritt und Düsen für Kraftstoffeintritt der zweiten Stufe 23 auf; ähnlich weist das Strahlrohr 26 seitliche Düsen für Kraftstoffeintritt der ersten Stufe 22 auf.
  • Zusätzlich weist das Strahlrohr 26 wenigstens eine Düse an seiner Spitze auf, die angeordnet ist, um Kraftstoff der Pilotstufe 20 zu injizieren.
  • 3 zeigt eine Verbrennungsvorrichtung 5, die die zweite Verbrennungsvorrichtung einer sequentiellen Verbrennungsgasturbine ist.
  • In dieser Figur gibt das Bezugszeichen 20 die Pilotstufe an, während das Bezugszeichen 22 die erste Stufe angibt; in dieser Ausführungsform ist keine zweite Stufe vorgesehen.
  • Die Verbrennungsvorrichtung 5 besitzt eine rohrförmige Mischkammer 25, wobei sich darin ein Strahlrohr 26 transversal erstreckt und stromabwärts von ihr eine Verbrennungskammer 27 befindet.
  • Das Strahlrohr 26 weist seitliche Düsen für Kraftstoffeintritt der ersten Stufe 22 und zusätzlich wenigstens eine weitere Düse an ihrer Spitze für Kraftstoffeintritt der Pilotstufe 20 auf.
  • Das Verfahren zum Betreiben der Gasturbine enthält das Injizieren des Kraftstoffs über wenigstens zwei Stufen, wobei eine der Stufen die Pilotstufe 20 ist, in die entlang einer Längsachse 21 der Verbrennungsvorrichtung 3 oder 5 oder einer dazu parallelen Achse Kraftstoff injiziert wird.
  • Insbesondere enthält das Verfahren das Bestimmen der in die Verbrennungsvorrichtung 3 und/oder 5 zu injizierenden Kraftstoffmenge und die Aufteilung dieser Menge auf die Stufen.
  • Gaskraftstoff wird vorteilhafterweise über die Pilotstufe 20 in die Verbrennungsvorrichtung 3 und/oder 5 injiziert; außerdem wird Gaskraftstoff über die erste Stufe und, falls vorgesehen, auch über die zweite Stufe injiziert.
  • In einer Ausführungsform des in der Verbrennungsvorrichtung 3 ausgeführten Verfahrens, in der die Verbrennungsvorrichtung drei Stufen 20, 22, 23 enthält, wird die Kraftstoffmenge auf diese drei Stufen aufgeteilt.
  • Vorteilhafterweise können während des Betriebs die über die erste Stufe, die zweite Stufe und die Pilotstufe injizierten Anteile zur besseren Steuerung des Motorbetriebs eingestellt werden.
  • Insbesondere werden während des Betriebs zwischen 50 und 70% des Kraftstoffmassendurchsatzes über die erste Stufe injiziert, zwischen 20 und 30% des Kraftstoffmassendurchsatzes des Kraftstoffs über die zweite Stufe injiziert und zwischen 5 und 25% des Kraftstoffmassendurchsatzes über die Pilotstufe injiziert.
  • In der Ausführungsform des in der Verbrennungsvorrichtung 5 ausgeführten Verfahrens, in der die Verbrennungsvorrichtung zwei Stufen 20, 22 enthält, wird die Kraftstoffmenge auf diese zwei Stufen aufgeteilt.
  • Vorteilhafterweise können während des Betriebs die über die erste Stufe und die Pilotstufe injizierten Anteile zur besseren Steuerung des Motorbetriebs eingestellt werden.
  • Insbesondere werden während des Betriebs zwischen 75 und 85% des Kraftstoffmassendurchsatzes über die erste Stufe injiziert und zwischen 15 und 25% des Kraftstoffmassendurchsatzes des Kraftstoffs über die Pilotstufe injiziert.
  • Während des Betriebs erzeugt der Pilot-Gaskraftstoff unmittelbar stromabwärts vom Strahlrohr 26 in einem Abschnitt der Verbrennungsvorrichtung quer zu ihrer Längsachse eine an Kraftstoff reiche Zone.
  • Diese Zone erzeugt eine Flamme mit einer hohen Temperatur (Diffusionsverbrennung), die eine Verbesserung des Betriebs der Gasturbine sowohl bei Volllast als auch bei Teillast ermöglicht.
  • Tatsächlich wurde ungeachtet der Knappheit an Sauerstoff überraschenderweise eine bessere Verbrennung und eine stabilere Flamme beobachtet, wobei die Flamme unmittelbar stromabwärts von der Mischkammer 25 verankert war und somit ihre Verschiebung stromabwärts vermieden wurde.
  • Dies ermöglichte eine wesentliche Verringerung der Pulsationen.
  • Da die Flamme am Eingang der Verbrennungskammer 27 verankert ist, hat außerdem der Kraftstoff mehr Zeit, vollständig zu verbrennen, so dass eine Verringerung von unverbranntem Kohlenwasserstoff und CO-Emissionen festgestellt wurde.
  • Zudem wurde auch dann, wenn die Flammentemperatur höher ist (je höher die Verbrennungstemperatur ist, desto höher ist die NOx-Produktion), keine Zunahme der NOx-Emissionen beobachtet.
  • Tatsächlich ist infolge der höheren Temperaturen die NOx-Konzentration in den Rauchgasen stromaufwärts von der Flammenfront höher als bei herkömmlichen Verbrennungsvorrichtungen.
  • Da die Frontflamme dicker als bei herkömmlichen Verbrennungsvorrichtungen ist, nimmt außerdem die NOx-Konzentration während der Verbrennung weiter zu.
  • Jedoch erwies sich die NOx-Produktion stromabwärts von der Flammenfront (d. h. während sich die Rauchgase durch die Verbrennungskammer bewegen und die Turbine 4 oder 6 erreichen) als viel geringer als bei herkömmlichen Gasturbinen.
  • Insgesamt hat sich gezeigt, dass sich diese Wirkungen gegenseitig ausgleichen, so dass die NOx-Konzentration in dem Rauchgas, das mit dem Verfahren und der Gasturbine in den Ausführungsformen der Erfindung erzeugt wird, im Wesentlichen gleich jener beim herkömmlichen Verfahren und bei herkömmlichen Gasturbinen ist.
  • Wohlgemerkt können die beschriebenen Merkmale unabhängig voneinander vorgesehen sein.
  • In der Praxis können die verwendeten Materialien und die Abmessungen gemäß den Anforderungen und dem Stand der Technik gewählt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Gasturbine
    2
    Kompressor
    3
    Verbrennungsvorrichtung
    4
    Hochdruckturbine
    5
    Verbrennungsvorrichtung
    6
    Niederdruckturbine
    7
    Wärmetauscher
    8
    Dampfturbinenanlage
    9
    Ableiter
    10
    Mischer
    11
    CO2-Einfanganlage
    15
    Kühler
    16
    Kompressor
    17
    Kompressor
    20
    Pilotstufe
    21
    Längsachse
    22
    Erste Stufe
    23
    Zweite Stufe
    25
    Mischkammer
    26
    Strahlrohr
    27
    Verbrennungskammer
    29
    Schlitz

Claims (13)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Gasturbine (1), die wenigstens einen Kompressor (2) enthält, der wenigstens einer Verbrennungsvorrichtung (3, 5) ein Oxidans zuführt, wobei Kraftstoff injiziert und verbrannt wird, um Heißgase zu erzeugen, die in einer Turbine (4, 6) expandiert werden, wobei die von der Turbine (4, 6) ausgeströmten Rauchgase wenigstens teilweise in den wenigstens einen Kompressor (2) zurückgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens eine Verbrennungsvorrichtung (3, 5) gasförmiger Kraftstoff über wenigstens zwei Stufen (20, 22, 23) injiziert wird, wobei eine der Stufen eine Pilotstufe (20) ist, in die Kraftstoff entlang einer Längsachse (21) der Verbrennungsvorrichtung (3, 5) oder einer dazu parallelen Achse Kraftstoff injiziert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Bestimmen der in die Verbrennungsvorrichtung (3, 5) zu injizierenden Kraftstoffmenge und Aufteilen dieser Menge auf die wenigstens zwei Stufen (20, 22, 23).
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsvorrichtung (3, 5) drei Stufen (20, 22, 23) enthält, wobei die Kraftstoffmenge auf die drei Stufen (20, 22, 23) aufgeteilt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsvorrichtung (3) eine im Wesentlichen konische Mischkammer (25) enthält, wobei sich entlang ihrer Längsachse (21) ein Strahlrohr (26) erstreckt und stromabwärts von der Mischkammer (25) eine Verbrennungskammer (27) befindet, wobei eine Mischkammerwand tangentiale Schlitze (29) für Oxidanseintritt und Düsen für Kraftstoffeintritt aufweist und das Strahlrohr (26) seitliche Düsen aufweist, wobei die erste Stufe (22) durch die Düsen an der Mischkammerwand definiert ist und die zweite Stufe (23) durch die seitlichen Düsen des Strahlrohrs (26) definiert ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlrohr (26) an ihrer Spitze wenigstens eine Düse, die zum Injizieren angeordnet ist, aufweist, wobei die Pilotstufe (20) durch diese Düse an der Spitze des Strahlrohrs (26) definiert ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebs zwischen 50 und 70% des Kraftstoffmassendurchsatzes über die erste Stufe (22) injiziert werden, zwischen 20 und 30% des Kraftstoffmassendurchsatzes des Kraftstoffes über die zweite Stufe (23) injiziert werden und zwischen 5 und 25% des Kraftstoffmassendurchsatzes über die Pilotstufe (20) injiziert werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsvorrichtung (3, 5) zwei Stufen (20, 22) enthält wobei die Kraftstoffmenge auf die zwei Stufen (20, 22, 23) aufgeteilt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsvorrichtung (5) eine rohrförmige Mischkammer (25) besitzt, wobei sich darin ein Strahlrohr (26) transversal erstreckt und sich stromabwärts von ihr eine Verbrennungskammer (27) befindet, wobei das Strahlrohr (26) seitliche Düsen aufweist, die die erste Stufe (22) definieren.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlrohr (26) an seiner Spitze eine weitere Düse aufweist, die die Pilotstufe (20) definiert.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebs zwischen 75 und 85% des Kraftstoffmassendurchsatzes über die erste Stufe (22) injiziert werden und zwischen 15 und 25% des Kraftstoffmassendurchsatzes des Kraftstoffs über die Pilotstufe (20) injiziert werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Turbine (4, 6) ausgeströmten Rauchgase teilweise in eine CO2-Einfanganlage (11) abgeleitet werden.
  12. Gasturbine (1), die wenigstens einen Kompressor (2) enthält, der wenigstens einer Verbrennungsvorrichtung (3, 5) ein Oxidans zuführt, wobei Kraftstoff injiziert und verbrannt wird, um Heißgase zu erzeugen, die in einer Turbine (4, 6) expandiert werden, wobei die von der Turbine (4, 6) ausgeströmten Rauchgase wenigstens teilweise in den wenigstens einen Kompressor (2) zurückgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens eine Verbrennungsvorrichtung (3, 5) gasförmiger Kraftstoff über wenigstens zwei Stufen (20, 22, 23) injiziert wird, wobei eine der Stufen eine Pilotstufe (20) ist, in die Kraftstoff entlang einer Längsachse (21) der Verbrennungsvorrichtung (3, 5) oder einer dazu parallelen Achse Kraftstoff injiziert wird.
  13. Gasturbine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Turbine (4, 6) ausgeströmten Rauchgase teilweise in eine CO2-Einfanganlage (11) abgeleitet werden.
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