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Die Erfindung betrifft eine Kraftwerksanlage sowie ein Verfahren zu deren Betrieb.
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Schwefel und Schwefelverbindungen in Brenngasen und in der Verbrennungsluft von Gas-und-Dampfturbinen-Anlagen führen zur Bildung von Schwefeldioxid (SO2) und Schwefeltrioxid (SO3) in der Gasturbine und in den der Gasturbine nachgeschalten Komponenten. SO3 kann dabei nach Kondensation Schwefelsäure bilden, welche korrosiv ist. Um eine unerwünschte Korrosion zu vermeiden werden entsprechende Komponenten bei einer Temperatur betrieben, welche oberhalb der sogenannten Schwefelsäuretaupunkttemperatur liegt. Diese Taupunkttemperatur ist u.a. abhängig von der SO3-Konzentration, welche wiederum von der Gesamtschwefelkonzentration abhängig ist. Der Kenntnis der Gesamtschwefelkonzentration kommt somit eine besondere Bedeutung im Hinblick auf einen störungsfreien Anlagenbetrieb zu. Aufgrund der Unkenntnis der Menge an eingetragenem Schwefel kann es zu Korrosion und damit Schäden in bestimmten Teilen der Anlage, und dadurch zu Leistungsverlust kommen.
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Das Problem einer ungünstigen Betriebsweise besteht somit latent immer. Aufgrund der sehr niedrigen zu bestimmenden Schwefelkonzentrationen gibt es derzeit nur sehr wenige Online-Messverfahren wie z.B. Gaschromatographie (Flammenphotometrie, Chemilumineszenz, Elektrochemie) und die Bleiacetatmethode. Bei den Chromatographieverfahren sind zum einen Bestimmungsgrenzen relativ hoch, zum anderen ist der Betreuungsaufwand relativ hoch, sodass diese Geräte eher für einen Laboreinsatz geeignet sind. Die Bleiacetatmethode, bei der Schwefelverbindungen erst zu H2S umgesetzt werden, welches dann an einem imprägnierten Papierstreifen zu Bleisulfat reagiert und den Papierstreifen damit verfärbt, ist wartungsaufwendig und hat bei sehr geringen Schwefelgehalten eine relativ hohe Messunsicherheit.
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Als derzeitige Gegenmaßnahme wird eine Anlagenfahrweise eingestellt, bei der entsprechende Bauteile deutlich oberhalb der Schwefelsäuretaupunkttemperatur betrieben werden. Die Ermittlung der Temperatur basiert derzeit auf Maximalwerten (Schwefelkonzentration im Brenngas) und verlässt sich dabei auf die Angaben der Brennstofflieferanten. Bei Berücksichtigung eines Maximalwertes verfährt man konservativ, was dazu führt, dass die Anlage nicht optimal in Bezug auf Leistung und Wirkungsgrad betrieben wird. Es besteht aber weiterhin das Problem des Nachweises der Einhaltung von spezifizierten Schwefelgehalten, sollte ein solcher „Maximalwert“ doch einmal überschritten werden, sodass im Fall von aufgetretenen Schäden keine Zuordnung zu einer Ursache möglich ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kraftwerksanlage bereitzustellen, mit der ein im Vergleich zu konservativer Fahrweise verbesserter Wirkungsgrad erzielbar ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb einer solchen Kraftwerksanlage anzugeben.
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Die gestellte Aufgabe wird durch eine erfinderische Ausführungsform einer Kraftwerksanlage nach der Lehre das Anspruchs 1 gelöst. Ein Verfahren zum Betrieb einer entsprechenden Kraftwerksanlage ist im Anspruch 7 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die gattungsgemäße Kraftwerksanlage umfasst einen Verdichter zum Verdichten von Verbrennungsluft, eine Verbrennungseinrichtung, in der verdichtete Verbrennungsluft und ein Brennstoff miteinander verbrennen, und eine Turbine, in der bei der Verbrennung entstehende Gase entspannt werden. Die Kraftwerksanlage nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner eine erste Messeinrichtung zur Messung von Schwefel in der Verbrennungsluft und eine zweite Messeinrichtung zur Messung von Schwefel im Brennstoff umfasst.
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Mit den Messeinrichtungen für Brennstoff und Luft kann eine Aussage über den Schwefeleintrag in eine Kraftwerksanlage gemacht werden. Damit lässt sich die Anlagenfahrweise optimieren, d.h. Korrosion, verursacht durch Schwefelsäure kann vermieden werden, bei gleichzeitiger Optimierung des Anlagenbetriebes.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Messeinrichtungen geeignet kontinuierliche Messungen durchzuführen.
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Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Messeinrichtungen geeignet sind, online-Messungen durchzuführen, d.h. die Messungen werden durchgeführt, während die Luft/der Brennstoff in die Anlage geführt werden.
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Mit kontinuierlichen Online-Messungen besteht die Möglichkeit eine Echtzeit-Auswertung der in die Anlage zugeführten Schwefelmengen durchzuführen und die Kraftwerksanlage möglichst verlässlich dicht oberhalb der Taupunktkurve von Schwefelsäure zu fahren.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfassen die Messeinrichtungen jeweils einen Konverter zur Aufbereitung von Schwefelverbindungen als Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid sowie eine Vorrichtung zur Messung von Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid. Da Schwefelverbindungen in Brenngasen und in der Verbrennungsluft nicht nur als SO2 und SO3 vorliegen, sondern auch als H2S, COS und Merkaptanschwefel, ist es erforderlich der abschließenden Schwefelmessung eine entsprechende Messgasaufbereitung vorzuschalten, welche die Schwefelbestandteile sicher in SO2 und SO3 umwandelt.
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Es ist zweckmäßig, wenn die Kraftwerksanlage weiter eine Auswerteeinheit zur Bestimmung der über Verbrennungsluft und Brennstoff in die Kraftwerksanlage eingebrachten Schwefelmenge umfasst. Die gemessenen Schwefelmengen von Luft und Brennstoff müssen schließlich gemeinsam für einen entsprechenden Betrieb der Anlage verarbeitet werden.
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Eine Kraftwerksanlage umfasst typischerweise einen Ansaugkanal für die Verbrennungsluft mit zumindest einem im Ansaugkanal angeordneten Filter zum Reinigen der durch den Ansaugkanal strömbaren Verbrennungsluft. Häufig sind dabei mehrere Filter hintereinander geschaltet, die die angesaugte Umgebungsluft, auch Ansaugluft genannt, anfänglich von gröberen Schmutzpartikeln und danach von kleineren Schmutzpartikeln befreit. Die Reinigung der Ansaugluft ist einerseits erforderlich, um Ablagerung an den Verdichterschaufeln und damit einhergehende Alterungsprozesse des Verdichters zu vermeiden, welche zur Verringerung des Verdichterwirkungsgrades und somit zur Verringerung des Wirkungsgrades der Gasturbine führen würden. Gleichfalls ist es für die in der Turbine eingesetzten Heißgasbauteile erforderlich, dass besonders reine Kühlluft diesen zur Verfügung gestellt wird, da ansonsten auch dort Ablagerungen eine zuverlässige Kühlung der Bauteile gefährden könnten. Aus der Luft herausgefilterte Partikel können durch eine Energiezufuhr, wie z.B. ansteigende Temperatur, von der Filteroberfläche gelöst und wieder freigesetzt werden. Um nun den tatsächlichen aktuellen Schwefeleintrag in die Kraftwerksanlage bestimmen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die erste Messeinrichtung für Schwefel in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft nach dem Filter angeordnet ist.
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Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage, wobei kontinuierlich die Schwefelmenge in der Verbrennungsluft und im Brennstoff bestimmt wird und eine Fahrweise der Kraftwerksanlage so angepasst wird, dass die Kraftwerksanlage geregelt entlang einer von der gemessenen Schwefelmenge abhängigen Taupunktkurve für Schwefelsäure so gefahren wird, dass diese nicht unterschritten wird.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Temperatur eines Kondensatvorwärmers kontinuierlich in Abhängigkeit der bestimmten Schwefelmenge geregelt wird. Schließlich ist der Kondensatvorwärmer der kalte Teil des Abhitzedampferzeugers und genau dort kann die Temperatur unter den Taupunkt von Schwefelsäure sinken.
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Um möglichst verlässliche Werte über den Gesamtschwefelgehalt zu erlangen, ist es zweckmäßig, da die Messgeräte nicht jede Art von Schwefelverbindung erfassen können, wenn die Schwefelbestandteile einer Messung zu Schwefeldioxid oder Schwefeltrioxid aufbereitet werden, so dass eine Gesamtschwefelmenge durch „einfaches“ Messen von Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid bestimmt werden kann.
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Wie oben ausgeführt, ist es weiterhin zweckmäßig, wenn eine Schwefelmenge in der Verbrennungsluft in Strömungsrichtung nach einem Filter in einem Ansaugkanal zu einem Verdichter für die Verbrennungsluft gemessen wird.
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Da die Messeinrichtungen gemäß der Erfindung ein kontinuierliches Signal liefern, kann der entsprechende Einfluss auf den Anlagenbetrieb ebenfalls kontinuierlich und direkt erfolgen. So muss z.B. die Temperatur des Kondensatvorwärmers nicht mehr auf eine fest eingestellte konservativ hohe Temperatur eingestellt werden, sondern kann entsprechend der Messwerte geregelt werden. Die Messeinrichtungen ermöglichen eine kontinuierliche Messung und Aufzeichnung der Schwefelgehalte im Brenngas und in der Verbrennungsluft zum Nachweis der Einhaltung von spezifizierten Grenzwerten.
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Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch und nicht maßstäblich:
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1 eine Kraftwerksanlage mit Abhitzedampferzeuger und
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2 ein Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage.
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In einer Kraftwerksanlage 1, wie der in der 1 gezeigten Gas- und Dampfturbinenanlage, dient die Gasturbine 15 als Wärmequelle für einen nachgeschalteten Abhitzedampferzeuger 16, in dem Dampf für eine Dampfturbine erzeugt wird. Die Gasturbine 15 umfasst dabei einen Verdichter 2, eine Verbrennungseinrichtung 4 und eine Turbine 6. Dem Verdichter 2 ist ein Ansaughaus 17 mit einem Ansaugkanal 12 vorgeschaltet, welcher Öffnungen 18 des Ansaughauses 17 mit dem Eingang 19 des Verdichters 2 verbindet. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist im Ansaugkanal 12 ein Filter 13 vorgesehen. Es können aber auch mehrere Filter vorgesehen sein. Der Filter 13 dient der Säuberung der angesaugten Umgebungsluft von darin enthaltenen Schwebeteilchen und Partikeln, um sie als Verbrennungsluft 3 dem Verdichter 2 bzw. der Verbrennungseinrichtung 4 zuführen zu können.
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In der Verbrennungseinrichtung 4 werden die verdichtete Verbrennungsluft 3 und Brennstoff 5 gemeinsam verbrannt. Die dabei entstehenden Heißgase werden über die Turbine 6 entspannt und dem Abhitzedampferzeuger 16 zur Erzeugung von Dampf zum Betrieb einer in der 1 nicht gezeigten Dampfturbine zugeführt.
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Der Abhitzedampferzeuger 16 umfasst typischerweise mehrere Druckstufen mit Vorwärmer, Verdampfer und Überhitzer, an die die Heißgase ihre Wärmeenergie beim Durchströmen des Abhitzedampferzeugers 16 abgeben. Am sogenannten „kalten Ende“ des Abhitzedampferzeugers 16, d.h. kurz bevor die Abgase aus der Gasturbine 15 den Abhitzedampferzeuger 16 durch den Kamin 20 verlassen, ist ein Kondensatvorwärmer 14 angeordnet. Je nach Fahrweise und Zusammensetzung der Abgase kann es im Bereich des Kondensatvorwärmers 14 zur Taupunktunterschreitung von Schwefelsäure kommen, so dass sich an den Einbauten im Abhitzedampferzeuger 16 in diesem Bereich Schwefelsäure niederschlägt. Dies führt zu Korrosion an den Einbauten und soll im Interesse einer möglichst langen Standzeit der Anlage vermieden werden. Hierzu wird typischerweise die Kraftwerksanlage 1 so gefahren, dass nahezu immer genügend Temperatur-Abstand zum Schwefelsäure-Taupunkt eingehalten wird. Der Schwefelgehalt des Brennstoffs 5 wird dabei nicht im Betrieb gemessen, sondern die Berechnungen stützen sich auf die vom Brennstofflieferanten gemachten Angaben. Leistung und Wirkungsgrad der Kraftwerksanlage 1 sind bei einem solchen Betrieb nicht optimal, da Wärme ungenutzt bleibt.
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Gemäß der Erfindung ist nun vorgesehen, dass die Kraftwerksanlage 1 Messeinrichtungen 7, 8 zur Messung von Schwefel umfasst. Eine erste Messeinrichtung 7 dient der Messung des Schwefelgehalts in der Verbrennungsluft 3 und mit einer zweiten Messeinrichtung 8 wird der Schwefelgehalt im Brennstoff 5 gemessen.
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Damit die Kraftwerksanlage 1 in Echtzeit entsprechend der in die Kraftwerksanlage 1 zugeführten Schwefelkonzentrationen gefahren werden kann, ist es notwendig, dass die Messeinrichtungen 7, 8 nicht nur geeignet sind kontinuierliche Messungen durchzuführen, sondern auch, dass diese Messungen online erfolgen, d.h. dass zu jedem Zeitpunkt ein verwertbares Ergebnis vorliegt und nicht erst über evtl. langwierige, externe Verfahren die Schwefelkonzentration bestimmt wird.
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Die eingesetzten Vorrichtungen 10 zur Messung von Schwefel sind nicht unbedingt in der Lage, Schwefel in all seinen Erscheinungsvarianten (H2S, COS, Merkaptanschwefel) nachzuweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist daher vorgesehen, dass die Vorrichtungen 10 zur Messung von Schwefel Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid nachweisen können und dass diesen Vorrichtungen 10 geeignete Konverter 9 zur Aufbereitung von Schwefelverbindungen vorgeschaltet sind, in denen die verschiedenen Schwefelverbindungen zu Schwefeldioxid bzw. Schwefeltrioxid umgewandelt werden.
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Die in den ersten und zweiten Messeinrichtungen 7, 8 ermittelten Daten werden in einer Auswerteeinheit 11 verarbeitet, um einen Gesamtschwefeleintrag in die Kraftwerksanlage 1 zu bestimmen und eine entsprechende Fahrweise im Hinblick auf einen optimierten Wirkungsgrad für die Kraftwerkanlage 1 ableiten zu können.
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Im Hinblick auf die Genauigkeit der Messwerte ist insbesondere bei der Verbrennungsluft 3 auf den Messort zu achten. Die Kraftwerksanlage 1 umfasst nämlich einen Ansaugkanal 12 für die Verbrennungsluft 3 mit zumindest einem im Ansaugkanal 12 angeordneten Filter 13 zum Reinigen der durch den Ansaugkanal 12 strömbaren Verbrennungsluft 3. Wie weiter oben ausgeführt, ist es im Hinblick auf den tatsächlichen Schwefeleintrag in die Kraftwerksanlage 1 sinnvoll, wenn die erste Messeinrichtung 7 in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft 3 nach dem Filter 13 angeordnet ist.
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2 zeigt den Ablauf eines Verfahrens zum Betrieb einer Gasturbinenanlage 1.
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Die Schwefelmenge in der Verbrennungsluft 7 wird in Strömungsrichtung der Verbrennungsluft nach einem Filter 13 in einem Ansaugkanal 12 zu einem Verdichter 2 für Verbrennungsluft 3 gemessen 21. Zu diesem Zweck werden die Schwefelbestandteile einer Messung der Verbrennungsluft zu Schwefeldioxid oder Schwefeltrioxid aufbereitet 22. Anschließend wird eine Gesamtschwefelmenge der Verbrennungsluft 3 durch Messen von Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid bestimmt 23.
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Parallel dazu wird die Schwefelmenge im Brennstoff gemessen 24. Hierzu werden auch im Brennstoff die Schwefelanteile zu Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid aufbereitet 25 und anschließend gemessen 26.
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Die ermittelten Daten werden ausgewertet 27 und dazu verwendet, eine Fahrweise der Kraftwerksanlage 1 so anzupassen 28, dass die Kraftwerksanlage 1 geregelt entlang einer von der gemessenen Schwefelmenge abhängigen Taupunktkurve für Schwefelsäure so gefahren wird, dass diese nicht unterschritten wird.
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Insbesondere wird die Temperatur eines Kondensatvorwärmers 14 kontinuierlich in Abhängigkeit der bestimmten Schwefelmenge geregelt 29.
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Dabei erfolgen die Messungen 23, 26 kontinuierlich und online.
