DE102012219520A1

DE102012219520A1 - Prozessgasverdichter-Gasturbinenstrang

Info

Publication number: DE102012219520A1
Application number: DE102012219520.3A
Authority: DE
Inventors: Henk Blekkenhorst
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2014-04-30
Also published as: CN104769227A; US9915161B2; CN104769227B; US20150292346A1; EP2898186B1; WO2014063893A1; EP2898186A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Prozessgasverdichter-Gasturbinenstrang mit einem Prozessgasverdichter (2) und einer Gasturbine (3), die zum Antreiben des Prozessgasverdichters (2) an dessen Welle gekuppelt ist, wobei der Prozessgasverdichter (2) zum Verdichten von brennbarem Prozessgas eingerichtet ist und zum Abdichten des Prozessgasverdichterinnenraums gegen die Atmosphäre mit einer Wellendichtung (12) ausgestattet ist, die mit einem Sperrgas sperrbar ist und mindestens eine Leckagegasleitung (18, 19) aufweist, mit der Leckagegas von der Wellendichtung (12) abführbar ist und die an den Lufteintritt (7) der Gasturbine (3) angeschlossen ist, so dass beim Betrieb des Prozessgasverdichter-Gasturbinenstrangs (1) das Leckagegas zusammen mit Eintrittsluft am Lufteintritt (7) in die Gasturbine (3) führbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Prozessgasverdichter-Gasturbinenstrang, bei dem der Prozessgasverdichter vorgesehen ist brennbares Prozessgas zu verdichten.
Ein Prozessgasverdichter weist ein Gehäuse und einen Rotor auf, der in dem Gehäuse untergebracht ist. Der Rotor weist eine Welle auf, die an ihren Längsenden außerhalb des Gehäuses gelagert ist. Dadurch tritt die Welle an ihren Längsenden durch das Gehäuse, wobei dort die Welle gegen das Gehäuse mit einer Wellendichtung abgedichtet ist. Somit ist die Innenseite des Prozessgasverdichters von der Atmosphäre getrennt. Der Aufbau der Wellendichtung ist herkömmlich derart, dass von der Innenseite des Prozessgasverdichters her betrachtet zuerst eine Gastrennung und dann eine Öltrennung angeordnet sind. Die Innenseite des Prozessgasverdichters, die Prozessseite, wird mittels der Wellendichtung von der Atmosphäre und der Öltrennung vom Lagerbereich getrennt. Die Wellendichtung ist beispielsweise als eine gasgeschmierte Gleitringdichtung ausgeführt, die als eine Tandemdichtung ausgebildet ist.
Die Tandemdichtung ist aus zwei gasgeschmierten Gleitringdichtungen aufgebaut, die jeweils einen Gleitring, der an dem Gehäuse befestigt ist, und einen Gegenring aufweisen, der an der Welle befestigt ist. Jeder Gleitring ist seinem zugeordneten Gegenring unter Ausbilden eines Axialspalts axial unmittelbar benachbart angeordnet. Die Ringe sind in der Tandemdichtung derart angeordnet, dass von der Primärdichtung die Prozessseite gegen einen Fackeldruck, abgedichtet ist. Mit der Sekundärdichtung wird die Abtrennung gegen die Atmosphäre bewerkstelligt, wobei die Sekundärdichtung zusätzlich als Redundanz zur Primärdichtung bei Versagen der Primärdichtung vorgesehen ist. Zwischen den beiden Gegenringen wird Sperrgas eingebracht, das zum Sperren der Axialspalte verwendet wird. Um den Lagerbereich abzutrennen, ist als die Öltrennung beispielsweise eine Tertiärdichtung vorgesehen, die beispielsweise als eine Labyrinthdichtung oder eine Kohleringdichtung ausgeführt sein kann. Die Tertiärdichtung ist mit einem Sperrgas beaufschlagt, wodurch ihre Sperrung bewerkstelligt wird.
Als das Sperrgas für die Primärdichtung kann Prozessgas und für die Sekundärdichtung kann Luft oder Stickstoff verwendet werden. Beim Betrieb des Prozessgasverdichters fällt aufgrund einer Leckage der Primärdichtung und der Sekundärdichtung ein Leckagegas an. Das Leckagegas ist ein Gasgemisch aus dem Prozessgas und dem Sperrgase mit Luft, wobei das Leckagegas herkömmlich an die Atmosphäre oder an eine Fackel abgeführt wird. Diese beiden Varianten sind für die Umwelt problematisch, das sie mit unerwünschten Emissionen an die Umgebung einhergehen. Abhilfe schafft zwar das Vorsehen einer Anlage zum Separieren des Prozessgases aus dem Leckagegas und zum Rückführen des Prozessgases in den Prozess, jedoch ist eine derartige Anlage energieintensiv und mit hohen Kosten verbunden.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Prozessgasverdichter-Gasturbinenstrang zu schaffen, der eine geringe Emissionsbelastung hat.
Die Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen dazu sind in den weiteren Patentansprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Prozessgasverdichter-Gasturbinenstrang weist einen Prozessgasverdichter und eine Gasturbine auf, die zum Antreiben des Prozessgasverdichters an dessen Welle gekuppelt ist, wobei der Prozessgasverdichter zum Verdichten von brennbarem Prozessgas eingerichtet ist und zum Abdichten des Prozessgasverdichterinnenraums gegen die Atmosphäre mit einer Wellendichtung ausgestattet ist, die mit einem Sperrgas sperrbar ist und mindestens eine Leckagegasleitung aufweist, mit der Leckagegas von der Wellendichtung abführbar ist und die an den Lufteintritt der Gasturbine angeschlossen ist, so dass beim Betrieb des Prozessgasverdichter-Gasturbinenstrangs das Leckagegas zusammen mit Eintrittsluft am Lufteintritt in die Gasturbine führbar ist.
Der Prozessgasverdichter-Gasturbinenstrang ist derart eingerichtet, dass das Leckagegas dem Lufteintritt der Gasturbine zugeführt wird. Dadurch vermischt sich das Leckagegas mit der Eintrittsluft der Gasturbine und tritt in den Verdichter der Gasturbine ein. In dem Verdichter wird das Luft-Leckagegemisch verdichtet und der Brennkammer der Gasturbine zugeführt. Die in der Brennkammer ausgebildete Flamme kommt mit dem Leckagegas in Kontakt, so dass der Prozessgasanteil in dem Leckagegas in der Brennkammer verbrannt wird. Dadurch wird der Prozessgasanteil in dem Leckagegas in der Brennkammer thermisch verwertet, wodurch zur Antriebsleistung der Gasturbine beigetragen wird. Außerdem braucht das Leckagegas nicht etwa einer Fackel oder der Atmosphäre zugeführt zu werden, wodurch die Emissionsbelastung der Umwelt reduziert wird.
Bevorzugtermaßen weist die Wellendichtung eine prozessseitige Primärdichtung und eine atmosphärenseitige Sekundärdichtung auf, wobei jeweils die Primärdichtung und die Sekundärdichtung eine der Leckageleitungen aufweisen. Die Leckageleitung für die Sekundärdichtung weist bevorzugt eine Atmosphärenleitung und ein Umschaltorgan auf, das derart eingerichtet ist, dass im Normalbetrieb der Wellendichtung die Atmosphärenleitung an die Sekundärdichtung zum Abführen von Leckagegas von der Sekundärdichtung an die Atmosphäre fluidleitend geschaltet ist und bei Versagen der Dichtwirkung der Sekundärdichtung die Leckageleitung an die Sekundärdichtung zum Abführen von Leckagegas von der Sekundärdichtung an den Lufteintritt fluidleitend geschaltet ist. Bevorzugt ist es, dass das Umschaltorgan eine Blende in der Atmosphärenleitung und eine Berstscheibe in der Leckageleitung zwischen der Anbindung der Atmosphärenleitung an die Leckageleitung und dem Lufteintritt aufweist. Alternativ bevorzugt ist es, dass das Umschaltorgan ein Dreiwegeventil ist, das an der Anbindung der Atmosphärenleitung an die Leckageleitung angeordnet ist.
Die Wellendichtung ist bevorzugt eine gasgeschmierte Gleitringdichtung. Hierbei ist es bevorzugt, dass die gasgeschmierte Gleitringdichtung in Tandemanordnung ausgeführt ist. Außerdem ist es bevorzugt, dass der Prozessgasverdichter ein Pipeline-Verdichter ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform mit Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 ein Fließschema der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verdichter-Gasturbinenstrangs und
2 eine Längsschnittdarstellung einer Wellendichtung.
Wie es aus den Figuren ersichtlich ist, weist ein Verdichter-Gasturbinenstrang 1 einen Prozessgasverdichter 2 in Turboverdichterbauweise und eine Gasturbine 3 auf. Der Prozessgasverdichter ist beispielsweise ein Pipeline-Verdichter zum Verdichten von Erdgas. Die Gasturbine 3 weist einen Verdichter 5 zum Verdichten von Eintrittsluft, eine Turbine 5 zur Gewinnung von Wellenleistung und eine Brennkammer 6 auf. Ferner weist die Gasturbine 3 am Verdichtereintritt einen Lufteintritt 7 auf, via dem Umgebungsluft zum Verdichter 4 geführt wird. Via einen Abgasaustritt 8 wird Abgas von der Turbine 5 abgeführt. Die Turbine 5 weist ferner eine Welle 9 auf, die mittels einer Kupplung 10 mit der Welle des Prozessgasverdichters 2 gekuppelt ist und dadurch den Prozessgasverdichter 2 antreibt.
Die Welle des Prozessgasverdichters 2 ist mittels Lager 11 beidseitig gelagert. Zur Abdichtung des Innenraums des Prozessgasverdichters 5 gegen die Atmosphäre und gegen die Lager 11 sind an der Welle Wellendichtungen 12 vorgesehen, die als gasgeschmierte Gleitringdichtungen in Tandembauweise ausgeführt sind. Die Wellendichtungen 12 weisen jeweils eine Primärdichtung 13, eine Sekundärdichtung 14 und eine Tertiärdichtung 15 auf. Die Primärdichtung 13 dichtet gegen die Prozessseite des Prozessgasverdichters 2 ab, wohingegen die Tertiärdichtung 15 gegen das Lager 11 abdichtet. Die Sekundärdichtung 14 ist zwischen der Primärdichtung 13 und der Tertiärdichtung 15 angeordnet und ist als Unterstützung und Absicherung der Primärdichtung 13 vorgesehen. Versagt nämlich die Primärdichtung 13, so steht der Prozessdruck erst an der Sekundärdichtung 14 an und nicht an der Tertiärdichtung 15, die herkömmlich von Kohleringen gebildet ist und somit bauweisebedingt dem Prozessdruck nicht standhalten würde. Außerdem wird mit der Sekundärdichtung 14 unterbunden, dass das Prozessgas bei Versagen der Primärdichtung 13 in die Lager 11 und somit in die Atmosphäre gelangen kann.
Die Wellendichtung weist ferner eine Prozessgassperrleitung 16 und eine Sperrgasleitung 17 auf (die Sperrgasleitung unterscheidet sich von der Prozessgasleitung aufgrund des Sperrgases, welches kein Prozessgas sein muss, bevorzugt kein Prozessgas ist). Die Sperrgasleitung kann grundsäzlich mit verschiedenen Gasen betrieben werden, wobei Inertgas (z.B. Stickstoff) bei manchen Anwendungen bevorzugt ist. In der Prozessgassperrleitung 16 liegt Prozessgas mit einem Druck an, der etwas höher als der prozessseitig anliegende Prozessdruck ist. In der Sperrgasleitung 17 liegt Sperrgas – ggf. Inertgas – mit einem Druck an, der höher als der Atmosphärendruck ist. Die Prozessgassperrleitung 16 ist an die Primärdichtung 13 geführt, so dass mit dem Prozessgas die Primärdichtung 13 gesperrt ist. Analog ist die Sperrgasleitung 17 an die Tertiärdichtung 15 geführt, so dass mit dem Sperrgas die Tertiärdichtung 15 gesperrt ist.
Zwischen der Primärdichtung 13 und der Sekundärdichtung 14 ist eine Primärleckageleitung 18 vorgesehen, mit der eine Leckage der Primärdichtung 13 von der Wellendichtung 12 abgeführt wird. Dadurch, dass die Primärdichtung 13 mit Prozessgas beaufschlagt ist, besteht die Leckage der Primärdichtung aus Prozessgas. Ferner ist zwischen der Tertiärdichtung 15 und der Sekundärdichtung 14 eine Sekundärleckageleitung 19 vorgesehen. Mit der eine Leckage der Sekundärdichtung 14 und der Tertiärdichtung 15 von der Wellendichtung 12 abgeführt wird. Dadurch, dass die Sekundärdichtung von der Primärdichtung 13 her mit Prozessgas beaufschlagt ist, besteht die Leckage der Sekundärdichtung 14 aus Prozessgas. In Analoger Weise besteht die Leckage der Tertiärdichtung 15 aus Inertgas. Somit ist die von der Sekundärleckageleitung 19 gesammelte Leckage ein Gemisch aus Prozessgas und Inertgas.
Die Primärleckageleitungen 18 und die Sekundärleckageleitungen 19 sind zum Lufteintritt 7 geführt, so dass die Leckageströme in den Primärleckageleitungen 18 und den Sekundärleckageleitungen 19 der Eintrittsluft des Verdichters 4 zugeführt wird. Dadurch vermischen sich die Leckagegasströme mit der Eintrittsluft der Gasturbine 3 und treten in den Verdichter 4. In dem Verdichter 4 wird das Luft-Leckagegemisch verdichtet und der Brennkammer 6 zugeführt. Die in der Brennkammer 6 ausgebildete Flamme verbrennt den Prozessgasanteil in dem Leckagegas. Dadurch wird der Prozessgasanteil in dem Leckagegas in der Brennkammer 6 thermisch verwertet, wodurch zur Antriebsleistung der Gasturbine 3 beigetragen wird.
Ein Wellendichtungsüberwachungssystem 26 überwacht und steuert den Betrieb der Wellendichtungen 12, wobei die Betriebsbedingungen einem Design-Betriebszustand oder einem Off-Design-Betriebszustand entsprechen können. Ferner wird der Betrieb der Gasturbine 3 mit einem Gasturbinenüberwachungssystem 27 überwacht und gesteuert. Das Gasturbinenüberwachungssystem 27 weist bevorzugt ein Gasanalysegerät auf, mit dem die Zusammensetzung der Luft am Lufteintritt 7 messbar ist. Grundsätzlich ist eine Gasanalyse nicht erforderlich, weil auf Basis der Turbinenlast und der Leckage an den Wellendichtungen das Wellendichtungsüberwachungssystem 26 erkennt, ob die Leckage noch sicher ist oder nicht – wie nachfolgend beschrieben.
Denkbar ist es, dass die Primärleckageleitungen 18 und die Sekundärleckageleitungen 19 an eine Fackel 20 via ein Ventil 22 angeschlossen sind. Dadurch ist die Option geschaffen, dass unter Betätigung des Ventils 22 die Leckageströme in den Primärleckageleitungen 18 und den Sekundärleckageleitungen 19 nicht dem Lufteintritt 7, sondern der Fackel 22 zugeführt werden. In der Fackel 22 wird der Prozessgasanteil der Leckageströme verbrannt und die daraus entstehenden Verbrennungsprodukte in die Atmosphäre emittiert.
Das Ableiten von den Leckagegasströmen zur Fackel 20 ist beispielsweise dann notwendig, wenn sich aufgrund des Einleitens der Prozessgasleckage in den Lufteintritt 7 ein entzündliches Gemisch im Verdichter 4 bilden würde. Dies ist unbedingt zu vermeiden, da hierbei die Gefahr des Durchschlagens der Flamme von der Brennkammer 6 durch den Verdichter 4 besteht. Dafür ist an dem Lufteintritt 7 das Gasanalysegerät vorgesehen, mit dem die Zündgefahr im Lufteintritt 7 und im Verdichter 4 messbar ist. Wird beim Betrieb des Verdichter-Gasturbinenstrangs 1 von dem Gasanalysegerät ermittelt, dass eine unzulässig hohe Zündgefahr vorliegt, so wird von dem Gasturbinenüberwachungssystem 27 das Ventil 22 betätigt, wodurch die Leckageströme statt in den Lufteinlass 7 zur Fackel 20 geleitet werden.
Denkbar ist, dass die Sekundärleckageleitungen 19 zusätzlich an einen Kamin 21 via ein Ventil 25 als ein Umschaltorgan angeschlossen sind, durch das die Leckagegasströme in den Sekundärleckageleitungen 19 an die Atmosphäre abgeleitet werden können. Stromab der Anbindung des Kamins 21 und vor dem Lufteintritt 7 ist eine weiteres Ventil 24 als ein weiteres Umschaltorgan in der Sekundärleckageleitung 19 eingebaut. Ferner ist zwischen der Einbindung der Fackel 20 in die Primärleckageleitung 18 und dem Lufteintritt 7 ein zusätzliches Ventil 23 eingebaut.
Mit dem Welldichtungsüberwachungssystem 27 werden die Ventile 22 bis 25 angesteuert, so dass Leckagen in der Primärleckageleitung 18 und der Sekundärleckegeleitung 19 angestimmt auf den momentan vorherrschenden Betriebszustand dem Lufteintritt 7 zugeführt werden können. Die Ventile 22 und 23 sowie die Ventile 24 und 25 können jeweils als ein Dreiwegeventil ausgeführt sein.
Das Ventil 24 könnte als eine Berstscheibe und das Ventil 25 als eine Blende ausgeführt sein. Versagen die Primärdichtung 13 und die Sekundärdichtung 14 schlägt der Prozessdruck auf die Sekundärleckageleitungen 19 durch. Mittels der Blende 25 wird ein Druckabbau über den Kamin 21 verhindert, so dass die Berstscheibe 24 zerbirst. Somit sind die Sekundärleckageleitungen 19 mit dem Lufteintritt verbunden, wodurch die Leckagegasströme in den Sekundärleckageleitungen 19 nicht über den Kamin 21 sondern dem Lufteintritt 7 zur thermischen Verwertung zugeführt werden.
Typischerweise liegt der Brennstoffverbrauch des Prozessgasverdichters 3 beim Einsatz als Pipelineverdichter für Erdgas bei 200 kg/MWH Erdgas. Das Brennstoff-Luft-Verhältnis liegt typischerweise bei 1:10. Die Prozessgasleckagerate der Wellendichtung liegt typischerweise bei 5 bis 10 kg/Stunde. Die Leistung der Gasturbine 3 beträgt typischerweise 10 MW, wobei der Prozessgasanteil im Lufteintrittsstrom ca. 0,05% beträgt. Typischerweise wird der Prozessgasverdichter-Gasturbinenstrang 1 abgeschaltet, wenn die Leckagerate einer der Wellendichtungen 12 bei dem fünffachen Wert gegenüber dem normalen Betriebszustand liegt. In diesem Fall beträgt der Prozessgasanteil im Lufteintrittsstrom ca. 0,5%. Aus Sicherheitsgründen wird mit dem Gasanalysegerät der Prozessgasanteil im Lufteintrittsstrom überwacht.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Prozessgasverdichter-Gasturbinenstrang mit einem Prozessgasverdichter (2) und einer Gasturbine (3), die zum Antreiben des Prozessgasverdichters (2) an dessen Welle gekuppelt ist, wobei der Prozessgasverdichter (2) zum Verdichten von brennbarem Prozessgas eingerichtet ist und zum Abdichten des Prozessgasverdichterinnenraums gegen die Atmosphäre mit einer Wellendichtung (12) ausgestattet ist, die mit einem Sperrgas sperrbar ist und mindestens eine Leckagegasleitung (18, 19) aufweist, mit der Leckagegas von der Wellendichtung (12) abführbar ist und die an den Lufteintritt (7) der Gasturbine (3) angeschlossen ist, so dass beim Betrieb des Prozessgasverdichter-Gasturbinenstrangs (1) das Leckagegas zusammen mit Eintrittsluft am Lufteintritt (7) in die Gasturbine (3) führbar ist.
Prozessgasverdichter-Gasturbinenstrang gemäß Anspruch 1, wobei die Wellendichtung (12) eine prozessseitige Primärdichtung (13) und eine atmosphärenseitige Sekundärdichtung (14) aufweist, wobei jeweils die Primärdichtung (13) und die Sekundärdichtung (14) eine der Leckageleitungen (18, 19) aufweisen.
Prozessgasverdichter-Gasturbinenstrang gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Leckageleitung (19) für die Sekundärdichtung (13) eine Atmosphärenleitung und ein Umschaltorgan (24, 25) aufweist, das derart eingerichtet ist, dass im Normalbetrieb der Wellendichtung (12) die Atmosphärenleitung an die Sekundärdichtung (14) zum Abführen von Leckagegas von der Sekundärdichtung (14) an die Atmosphäre fluidleitend geschaltet ist und bei Versagen der Dichtwirkung der Sekundärdichtung (14) die Leckageleitung (19) der Sekundärdichtung (19) zum Abführen von Leckagegas von der Sekundärdichtung (14) an den Lufteintritt (7) fluidleitend geschaltet ist.
Prozessgasverdichter-Gasturbinenstrang gemäß Anspruch 3, wobei das Umschaltorgan eine Blende (25) in der Atmosphärenleitung und eine Berstscheibe (24) in der Leckageleitung (19) zwischen der Anbindung der Atmosphärenleitung an die Leckageleitung (19) und dem Lufteintritt (7) aufweist.
Prozessgasverdichter-Gasturbinenstrang gemäß Anspruch 3, wobei das Umschaltorgan ein Dreiwegeventil ist, das an der Anbindung der Atmosphärenleitung an die Leckageleitung (19) angeordnet ist.
Prozessgasverdichter-Gasturbinenstrang gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Wellendichtung (12) eine gasgeschmierte Gleitringdichtung ist.
Prozessgasverdichter-Gasturbinenstrang gemäß Anspruch 6, wobei die gasgeschmierte Gleitringdichtung in Tandemanordnung ausgeführt ist.
Prozessgasverdichter-Gasturbinenstrang gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Prozessgasverdichter (2) ein Pipeline-Verdichter ist.