DE102011115364A1 - Kraftwerk - Google Patents

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Abstract

Das Kraftwerk umfasst eine Gasturbineneinheit (1), deren Rauchgase (8) einen Kessel (9) einer Dampfturbineneinheit (10) durchströmen, um dann einem Umleiter (11) zugeführt zu werden, wo sie in einen rezirkulierten Strom (12), der einem Mischer (16) zusammen mit Frischluft (7) zugeführt wird, um ein Gemisch (6) zu bilden, das einem Einlass eines Verdichters (2) einer Gasturbineneinheit (1) zugeführt wird, und einen abgeführten Strom (13), der einer CO2-Abscheidungseinheit (21) zugeführt wird, aufgeteilt werden. Ein Überwachungssystem für den Sauerstoffgehalt des Gemisches ist am Verdichtereinlass vorgesehen. Das Überwachungssystem umfasst einen Massendurchsatzsensor (30) für den rezirkulierten Strom, einen Sauerstoffkonzentrationssensor (31) für den rezirkulierten Strom, einen Sensor (32) für den Massendurchsatz des Gemisches, eine Steuereinheit (35), die dazu angeordnet ist, die von dem Massendurchsatzsensor (30) für den rezirkulierten Strom, Sauerstoffkonzentrationssensor (31) für den rezirkulierten Strom und Sensor (32) für den Massendurchsatz des Gemisches erfassten Informationen zu verarbeiten, um die Sauerstoffkonzentration stromaufwärts des Verdichtereinlasses zu erhalten.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftwerk.
  • Insbesondere wird im Folgenden auf ein Kraftwerk mit Rauchgasrezirkulation und einer CO2-Abscheidungseinheit Bezug genommen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Auf 1 Bezug nehmend, offenbart die WO 2010/072710 ein Kraftwerk mit einer Gasturbineneinheit 1, die einen Verdichter 2, eine Brennkammer 3 und eine Turbine 4 enthält.
  • Ein aus der Umgebung kommende Frischluft 7 enthaltendes Gemisch 6 wird dem Verdichter 2 zugeführt, und Rauchgase 8 (die von der Verbrennung des Gemischs 6 mit einem Brennstoff innerhalb der Brennkammer 3 stammen) treten aus der Turbine 4 aus.
  • Diese Rauchgase 8 (die typischerweise eine hohe Temperatur haben) werden vorzugsweise einem Kessel (zum Beispiel mit Zwischenüberhitzung) 9 einer Dampfturbineneinheit 10 zugeführt; innerhalb des Kessels 9 übertragen die Rauchgase 8 Wärme auf Wasser der Dampfeinheit 10.
  • Vom Kessel 9 werden die Rauchgase 8 einem Umleiter 11 zugeführt, um in einen rezirkulierten Strom 12 und einen abgeführten Strom 13 aufgeteilt zu werden.
  • Der rezirkulierte Strom 12 wird in einem Kühler 14 gekühlt, der auf einem Strömungsweg für den gleichen rezirkulierten Strom vorgesehen ist; dann wird der rezirkulierte Strom über einen Lüfter 15 einem Mischer 16 zugeführt, um mit der Frischluft 7 gemischt zu werden und das Gemisch 6 zu bilden, das dem Verdichter 2 zugeführt wird.
  • Der abgeführte Strom 13 wird in einem Kühler 19 gekühlt und dann über einen Lüfter 20 einer CO2-Abscheidungseinheit 21 zugeführt, um dann über 22 in die Atmosphäre abgeführt zu werden; dagegen wird das in der CO2-Abscheidungseinheit 21 abgeschiedene CO2 in 24 gespeichert.
  • Aufgrund der Rauchgasrezirkulation ist die Menge an Sauerstoff am Verdichtereinlass geringer als seine Menge in der Frischluft. In dieser Hinsicht beträgt die Frischluftsauerstoffkonzentration in der Regel ca. 21 Mol-%, während seine Konzentration am Verdichtereinlass eines Kraftwerks mit Rauchgasrezirkulation geringer oder viel geringer als 21 Mol-% ist.
  • Es liegt auf der Hand, dass, wenn die Sauerstoffmenge am Verdichtereinlass zu gering ist, die Sauerstoffmenge in der Brennkammer 3 auch zu gering wäre und des Weiteren unter die stöchiometrische Menge (das heißt der Mindestmenge, die theoretisch erforderlich ist, um eine vollständige Verbrennung zu erreichen) fallen könnte. In diesem Fall könnte es zu unvollständiger Verbrennung mit hohem CO, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und letztendlich Erlöschen der Flamme kommen.
  • Wenn mehrere Brennkammern verwendet werden, wobei eine stromabwärtige Brennkammer mit von einer stromaufwärtigen Brennkammer stammenden noch immer sauerstoffreichen Rauchgasen versorgt wird, (sequentielle Verbrennungsgasturbineneinheit), tritt dieses Problem noch stärker zutage.
  • Aus diesen Gründen ist eine Messung der Sauerstoffkonzentration an dem Verdichtereinlass der Gasturbineneinheit erforderlich.
  • Nichtsdestotrotz sind die Strömungsbedingungen stromaufwärts des Verdichtereinlasses sehr komplex und sind durch starke Wirbel, Turbulenzen und laufende Mischung gekennzeichnet. In der Praxis kann keine direkte Messung der Sauerstoffkonzentration durchgeführt werden.
  • KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Das technische Ziel der vorliegenden Erfindung umfasst daher die Bereitstellung eines Kraftwerks, das die oben erwähnten Probleme des Stands der Technik in Angriff nimmt.
  • Im Rahmen dieses technischen Ziels ist es ein Aspekt der Erfindung, ein Kraftwerk bereitzustellen, bei dem Sauerstoffkonzentrationsmessungen in einer Zone unmittelbar stromaufwärts des Verdichtereinlasses der Gasturbineneinheit ermöglicht werden.
  • Das technische Ziel, zusammen mit diesen und weiteren Aspekten, wird gemäß der Erfindung durch die Bereitstellung eines Kraftwerks gemäß den beiliegenden Ansprüchen erreicht.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung einer bevorzugten, aber nicht ausschließlichen Ausführungsform des Kraftwerks deutlicher hervor, die durch ein nicht einschränkendes Beispiel in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt wird, in denen:
  • 1 eine schematische Ansicht eines Kraftwerks ist; und
  • 2 eine schematische Ansicht eines Teils des Kraftwerks stromaufwärts des Verdichtereinlasses ist.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Im Folgenden wird auf das bereits beschriebene Kraftwerk Bezug genommen, da das Kraftwerk in den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die gleichen Merkmale aufweisen kann.
  • Das Kraftwerk enthält ein Überwachungssystem für die Sauerstoffkonzentration des Gemisches am Einlass des Verdichters 2.
  • Das Überwachungssystem umfasst einen Massendurchsatzsensor 30 für den rezirkulierten Strom, der stromaufwärts des Mischers 16 und vorzugsweise stromabwärts des Umleiters 11 angeschlossen ist.
  • Weiterhin ist stromaufwärts des Mischers 16 ein Sauerstoffkonzentrationssensor 31 für den rezirkulierten Strom vorgesehen; vorzugsweise ist der Sensor 31 stromabwärts des Kühlers 14 angeschlossen.
  • Darüber hinaus sind weiterhin Sensoren 32 für den Massendurchsatz des Gemisches, die stromaufwärts des Verdichters 2 angeschlossen sind, vorgesehen.
  • Des Weiteren umfasst das Überwachungssystem eine Steuereinheit 35, die mit den Sensoren 30, 31 und 32 verbunden ist und dazu angeordnet ist, die von ihnen erfassten Informationen zu verarbeiten, um die Sauerstoffkonzentration stromaufwärts des Verdichtereinlasses (das heißt am Verdichtereinlass) zu erhalten.
  • Insbesondere erfolgt die Verarbeitung auf Grundlage der Formel: Mfg·[O2]fg + Mfa·[O2]fa = Mm·[O2]m wobei:
    Mfg der Massendurchsatz der Rauchgase ist,
    [O2]fg die O2-Massenkonzentration der Rauchgase ist,
    Mfa der Massendurchsatz der Frischluft ist,
    [O2]fa die O2-Massenkonzentration in der Frischluft ist,
    Mm der Massendurchsatz des dem Verdichter zugeführten Gemisches ist,
    [O2]m die O2-Massenkonzentration des dem Verdichter zugeführten Gemisches ist.
  • Da:
    • – Mfg durch den Sensor 30 gemessen wird,
    • – [O2]fg durch den Sensor 31 gemessen wird,
    • – Mfa aus der Differenz Mm – Mfg berechnet werden kann,
    • – [O2]fa bekannt ist und ungefähr gleich 23 Massen-% ist,
    • – Mm durch die Sensoren 32 berechnet wird,
    kann [O2]m genau berechnet werden.
  • Die Steuereinheit 35 enthält vorzugsweise einen Rechner, und diese Berechnungen werden durch Programmcodes implementiert, die auf der Steuereinheit 35 laufen.
  • Bei anderen Ausführungsformen handelt es sich bei den Sensoren 32 um herkömmliche Massendurchsatzsensoren und sie liefern deshalb ein direktes Maß des Massendurchsatzes.
  • Bei einer bevorzugten, anderen Ausführungsform liefern die Sensoren 32 ein indirektes Maß des Massendurchsatzes. In diesem Fall umfassen die Sensoren 32 für den Massendurchsatz des Gemisches einen Temperatursensor 37, einen Drucksensor 38 und eine Leitschaufelpositionssteuerung 39 (am Verdichtereinlass), die mit der Steuereinheit 35 verbunden sind, um sie mit Informationen zu versorgen, die in Verbindung mit Verdichterkennfeldern verarbeitet werden, um den erforderlichen Massendurchsatz des Gemisches zu erhalten. Diese Sensoren sind stromaufwärts des Verdichters verbunden, so dass sie ein Maß für den Strom stromaufwärts des Verdichters 2 liefern. Es liegt auf der Hand, dass die Leitschaufelsteuerung mit der Leitschaufel und im Allgemeinen mit dem Verdichter verbunden ist.
  • Auf Grundlage der genau berechneten Sauerstoffkonzentration in dem Gemisch können Regulierungen und Betriebssteuerung durchgeführt werden; zum Beispiel kann das FGR-Verhältnis (das heißt das Rauchgasrezirkulationsverhältnis, das als der rezirkulierte Massendurchsatz geteilt durch den Gesamtmassendurchsatz, der durch die Gasturbineneinheit passiert, definiert ist) reguliert werden, um unter allen Betriebsbedingungen eine Mindestsauerstoffkonzentration in dem dem Verdichtereinlass zugeführten Gemisch zu gewährleisten.
  • Es sind auch andere Ausführungsformen möglich.
  • Zum Beispiel braucht das Kraftwerk statt der beiden Kühler 14 und 19 auch nur einen Kühler zu haben, der zwischen dem Kessel mit Zwischenüberhitzung 9 und dem Umleiter 11 positioniert ist (Beispiel nicht gezeigt); in diesem Fall ist der Sensor 31 vorzugsweise stromabwärts des Kühlers, aber hinter dem Umleiter 11, positioniert.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Betrieb des Kraftwerks.
  • Das Verfahren umfasst Erfassen des Massendurchsatzes des rezirkulierten Stroms, Erfassen der Sauerstoffkonzentration des rezirkulierten Stroms, Erfassen des Massendurchsatzes des Gemisches, Verarbeiten der so erfassten Informationen zum Erhalt der Sauerstoffkonzentration stromaufwärts des Verdichtereinlasses.
  • Natürlich können die beschriebenen Merkmale unabhängig voneinander bereitgestellt werden.
  • In der Praxis können die verwendeten Materialien und die Abmessungen gemäß Erfordernissen und dem Stand der Technik nach Belieben gewählt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Gasturbineneinheit
    2
    Verdichter von 1
    3
    Brennkammer von 1
    4
    Turbine von 1
    6
    Gemisch
    7
    Frischluft
    8
    Rauchgase
    9
    Kessel mit Zwischenüberhitzung von 10
    10
    Dampfturbineneinheit
    11
    Umleiter
    12
    rezirkulierter Strom
    13
    abgeführter Strom
    14
    Kühler
    15
    Lüfter
    16
    Mischer
    19
    Kühler
    20
    Lüfter
    21
    CO2-Abscheidungseinheit
    22
    Abführung in die Atmosphäre
    24
    CO2-Speicherung
    30
    Massendurchsatzsensor
    31
    O2-Konzentrationssensor
    32
    Sensoren für den Massendurchsatz des Gemisches
    35
    Steuereinheit
    37
    Temperatursensor
    38
    Drucksensor
    39
    Leitschaufelpositionssteuerung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2010/072710 [0003]

Claims (14)

  1. Kraftwerk, das eine Gasturbineneinheit (1) umfasst, deren Rauchgase (8) einem Umleiter (11) zugeführt werden, wo sie in einen rezirkulierten Strom (12), der einem Mischer (16) zusammen mit Frischluft (7) zugeführt wird, um ein Gemisch (6) zu bilden, das einem Einlass eines Verdichters (2) einer Gasturbineneinheit (1) zugeführt wird, und einen abgeführten Strom (13) aufgeteilt werden, wobei ein Überwachungssystem für den Sauerstoffgehalt des Gemisches am Verdichtereinlass vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungssystem Folgendes umfasst: – mindestens einen Massendurchsatzsensor (30) für den rezirkulierten Strom, – mindestens einen Sauerstoffkonzentrationssensor (31) für den rezirkulierten Strom, – mindestens einen Sensor (32) für den Massendurchsatz des Gemisches, – eine Steuereinheit (35), die dazu angeordnet ist, die von dem mindestens einen Massendurchsatzsensor (30) für den rezirkulierten Strom, Sauerstoffkonzentrationssensor (31) für den rezirkulierten Strom und Sensor (32) für den Massendurchsatz des Gemisches erfassten Informationen zu verarbeiten, um die Sauerstoffkonzentration stromaufwärts des Verdichtereinlasses zu erhalten.
  2. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Massendurchsatzsensor (30) für den rezirkulierten Strom stromaufwärts des Mischers (16) angeschlossen ist.
  3. Kraftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Massendurchsatzsensor (30) für den rezirkulierten Strom stromabwärts des Umleiters (11) angeschlossen ist.
  4. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sauerstoffkonzentrationssensor (31) für den rezirkulierten Strom stromaufwärts des Mischers (16) angeschlossen ist.
  5. Kraftwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Kessels (9) auf einem Strömungsweg für den rezirkulierten Strom (12) ein Kühler (14) vorgesehen ist, wobei der mindestens eine Sauerstoffkonzentrationssensor (31) für den rezirkulierten Strom stromabwärts des Kühlers (14) angeschlossen ist.
  6. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (32) für den Massendurchsatz des Gemisches zumindest teilweise stromaufwärts des Verdichters (2) angeschlossen ist.
  7. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (32) für den Massendurchsatz des Gemisches ein indirektes Maß für den Massendurchsatz liefert.
  8. Kraftwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (32) für den Massendurchsatz des Gemisches einen Temperatursensor (37), einen Drucksensor (38) und eine Leitschaufelpositionssteuerung (39) umfasst.
  9. Kraftwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (37), der Drucksensor (38) und die Leitschaufelpositionssteuerung (39) mit der Steuereinheit (35) verbunden sind, um ihr Informationen zuzuführen, die in Verbindung mit Verdichterkennfeldern verarbeitet werden, um den Massendurchsatz des Gemisches zu erhalten.
  10. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der abgeführte Strom (13) einer CO2-Abscheidungseinheit (21) zugeführt wird.
  11. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasturbineneinheitsauslass mit einem Kessel (9) verbunden ist, der wiederum mit dem Umleiter (11) verbunden ist.
  12. Verfahren zum Betrieb eines Kraftwerks, das eine Gasturbineneinheit (1) umfasst, deren Rauchgase (8) einem Umleiter (11) zugeführt werden, wo sie in einen rezirkulierten Strom (12), der einem Mischer (16) zusammen mit Frischluft (7) zugeführt wird, um ein Gemisch (6) zu bilden, das einem Einlass eines Verdichters (2) einer Gasturbineneinheit (1) zugeführt wird, und einen abgeführten Strom (13) aufgeteilt werden, wobei ein Überwachungssystem für den Sauerstoffgehalt des Gemisches am Verdichtereinlass vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungssystem: – den Massendurchsatz des rezirkulierten Stroms durch mindestens einen Massendurchsatzsensor (30) für den rezirkulierten Strom erfasst, – die Sauerstoffkonzentration des rezirkulierten Stroms durch mindestens einen Sauerstoffkonzentrationssensor (31) für den rezirkulierten Strom erfasst, – den Massendurchsatz des Gemisches durch mindestens einen Sensor (32) für den Massendurchsatz des Gemisches erfasst, – die von dem mindestens einen Massendurchsatzsensor (30) für den rezirkulierten Strom, Sauerstoffkonzentrationssensor (31) für den rezirkulierten Strom und Sensor (32) für den Massendurchsatz des Gemisches erfassten Informationen durch eine Steuereinheit (35) verarbeitet, um die Sauerstoffkonzentration stromaufwärts des Verdichtereinlasses zu erhalten.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der abgeführte Strom (13) einer CO2-Abscheidungseinheit (21) zugeführt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauchgase (8) von der Gasturbineneinheit (1) einen Kessel (9) einer Dampfturbineneinheit (10) durchströmen und dann dem Umleiter (11) zugeführt werden.
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