DE102018112067A1 - Gasturbinenschaltung mit geringen Emissionen, insbesondere Startemissionen und verbessertem Startverhalten sowie zugehöriges Verfahren zum Betrieb der Gasturbine - Google Patents

Gasturbinenschaltung mit geringen Emissionen, insbesondere Startemissionen und verbessertem Startverhalten sowie zugehöriges Verfahren zum Betrieb der Gasturbine Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenschaltung (I bis V) die über einen Verbrennungsluftstrang verfügt, über den Verbrennungsluft (FL) angesaugt wird, die in einem im Verbrennungsluftstrang angeordneten Verdichter (10A) verdichtet und mittels einem im Verbrennungsluftstrang und in einem Abgasstrang angeordneten Wärmetauscher (60) mittels Abgas (AG) aus dem Abgasstrang aufgeheizt wird, wobei die im Wärmetauscher (60) vorgewärmte zuvor verdichtete Verbrennungsluft (FL) einer Brennkammer (30) zugeführt wird, in der die Verbrennungsluft (FL) durch Verbrennen eines Brennstoffes unter Bildung eines Abgases (AG) aufgeheizt und anschließend einer Turbine (10B) zugeführt wird, die stromab der Brennkammer (30) in dem Abgasstrang angeordnet ist, deren Rotationsenergie über mindestens einen Wellenstrang zunächst auf den Verdichter (10A) und die darüber hinaus gehende Rotationsenergie auf einen Generator (20) zur Erzeugung von Elektroenergie übertragen wird.Es ist vorgesehen, dass im Abgasstrang stromab der Turbine (10B) mindestens emissionsmindernde Komponente (40, 70, 100) angeordnet ist, wobei mindestens eine der Komponenten (40) gleichzeitig zu der Emissionsminderung das Startverhalten der Gasturbine (10) beschleunigt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenschaltung, die über einen Verbrennungsluftstrang verfügt, über den Verbrennungsluft angesaugt wird, die in einem im Verbrennungsluftstrang angeordneten Verdichter verdichtet und mittels einem im Verbrennungsluftstrang und in einem Abgasstrang angeordneten Wärmetauscher mittels Abgas aus dem Abgasstrang aufgeheizt wird, wobei die im Wärmetauscher vorgewärmte zuvor verdichtete Verbrennungsluft einer Brennkammer zugeführt wird, in der die Verbrennungsluft durch Verbrennen eines Brennstoffes unter Bildung eines Abgases aufgeheizt und anschließend einer Turbine zugeführt wird, die stromab der Brennkammer in dem Abgasstrang angeordnet ist, deren Rotationsenergie über mindestens einen Wellenstrang zunächst auf den Verdichter und die darüber hinaus gehende Rotationsenergie auf einen Generator zur Erzeugung von Elektroenergie übertragen wird.
  • Die Druckschrift DE10 2004 059 318 A1 offenbart ein Verbrennungssystem für eine gasgetriebene Turbine, das einen Wärmetauscher und einen Katalysator verwendet, um einen Brennstoff ohne die Emission unerwünschter chemischer Verbindungen zu verbrennen. Eine gasgetriebene Turbine erfordert expandierende Gase, um die Turbinenflügel anzutreiben. Brennstoff wird verbrannt, um die erforderlichen Gase zu erzeugen. Ein Katalysator wird verwendet, um die Verbrennungstemperatur des Brennstoffs zu verringern. Der Katalysator ist an einem Satz von Rohren in dem Wärmetauscher angeordnet, derart, dass ein Teil der thermischen Energie auf die Luft übertragen werden kann, bevor sie mit dem Katalysator in Eingriff gerät. Nach dem Kontakt mit dem Katalysator steigert der verbrannte Brennstoff die Temperatur der Luft auf eine Selbstzündungstemperatur, sodass keine andere Zündquelle notwendig ist, um zusätzlichen Brennstoff zu verbrennen.
  • Die Druckschrift US 6 109 018 A betrifft einen elektrisch beheizten Katalysator (EHC) und ein Startverfahren einer Gasturbinenmaschine zum Verbrennen einer kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff/Sauerstoff enthaltenden Gasmischung unter Verwendung dieses elektrisch erwärmten Katalysators. Die katalytische Struktur wird vor dem Start der Turbine elektrisch auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt, um die Emissionen während des Startens des Systems zu reduzieren. Die EHC-Einheit ist eine gestapelte oder spiralförmig gewickelte Schichtung aus flachen und gewellten dünnen Metallfolien, die eine Vielzahl von axial verlaufenden Längskanälen bildet. Die Kanäle sind vorzugsweise auf einer Oberfläche mit einem katalytischen Material beschichtet, wobei die andere Oberfläche von der Reaktion frei bleibt, um als eine Wärmesenke zu wirken, was die Konstruktion zu einer katalytischen IHE-Einheit (Integral Heat Exchange) macht. Die bevorzugte Ausführungsform des EHC weist Elektroden außerhalb des Brennstoff/Sauerstoff enthaltenden Gemischstroms auf und verwendet elektrische Energie mit einer vorbestimmten Spannung im Bereich von 100 bis 200 Volt, um die Einheit zu erwärmen. Es wird auch ein Verfahren zur Verwendung des EHC beim Anfahren einer Gasturbine offenbart, bei dem eine elektrische Leistung angelegt wird, um den EHC vor dem Einleiten des Brennstoff/Sauerstoff enthaltenden Gemisches auf eine vorbestimmte Temperatur zu erhitzen, und er kann für einen bestimmten Zeitraum eingeschaltet bleiben Zeitraum nach dem Einbringen des Brennstoff/Sauerstoff-haltigen Gemisches.
  • Der EHC kann auf der gewünschten vorbestimmten Temperatur gehalten werden, indem die angelegte Spannung moduliert wird. Die elektrische Energie wird beendet, wenn irgendeine von mehreren Bedingungen erfüllt ist, einschließlich, wenn die Wärme der katalytischen Reaktion ausreicht, um den Katalysator in seinem stationären Zustand zu halten oder wenn eine bestimmte Zeitspanne verstrichen ist.
  • Die Druckschrift DE 10 2011 121 992 A1 X1 offenbart eine gasgetriebene Turbine, die einen Wärmetauscher und einen Katalysator verwendet, um einen Brennstoff ohne die Emission unerwünschter chemischer Verbindungen zu verbrennen.
  • Als Stand der Technik werden zudem die Druckschriften US 2008 236 149 A1 sowie auf die Internet-Publikation https://www.allpar.com/mopar/turbine.html genannt, in denen jeweils konstruktive Lösungen für gasbetriebene Turbinen vorgestellt werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dass Emissionsverhalten der Gasturbine beim Start und im Betrieb der Gasturbine positiv zu beeinflussen, wobei insbesondere das Startverhalten verbessert werden soll.
  • Ausgangspunkt der Erfindung ist eine Gasturbinenschaltung, die über einen Verbrennungsluftstrang verfügt, über den Verbrennungsluft angesaugt wird, wobei die Gasturbine in einem im Verbrennungsluftstrang angeordneten Verdichter Verbrennungsluft verdichtet und mittels einem im Verbrennungsluftstrang und in einem Abgasstrang angeordneten Wärmetauscher mittels Abgas aus dem Abgasstrang aufgeheizt wird, wobei die im Wärmetauscher vorgewärmte zuvor verdichtete Verbrennungsluft einer Brennkammer zugeführt wird, in der die Verbrennungsluft durch Verbrennen eines Brennstoffes unter Bildung eines Abgases aufgeheizt und anschließend einer Turbine zugeführt wird, die stromab der Brennkammer in dem Abgasstrang angeordnet ist, deren Rotationsenergie über mindestens einen Wellenstrang zunächst auf den Verdichter und die darüber hinaus gehende Rotationsenergie auf einen Generator zur Erzeugung von Elektroenergie übertragen wird.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass im Abgasstrang stromab der Turbine mindestens eine emissionsmindernde Komponente angeordnet ist, wobei mindestens eine der Komponenten gleichzeitig zu der Emissionsminderung das Startverhalten der Gasturbine beschleunigt.
  • Bei einer ersten Gasturbinenschaltung ist im Abgasstrang stromab der Turbine und stromauf des Wärmetauschers ein elektrisch beheizter Katalysator angeordnet, der in vorteilhafter Weise bei der exothermen oxidativen Umsetzung von Kohlenwasserstoffen und/oder Kohlenmonoxid unter Temperaturerhöhung des Abgases emissionsverringernd und durch die Temperaturerhöhung zu einem früheren Start der Turbine führt, da das Abgas über den Wärmetauscher zu einer Erhöhung der Temperatur der in die Brennkammer strömenden Verbrennungsluft führt, sodass die Temperaturerhöhung der Verbrennungsluft zu einem früheren Start der Turbine führt. Mit anderen Worten, es werden mittels der ersten Gasturbinenschaltung Temperaturbedingungen geschaffen, die über die Brennstoffzuführung eine frühere Brennstoffeinbringung in die Brennkammer ermöglichen, wodurch in vorteilhafter Weise die Zündung des Brennstoffes in der Brennkammer gegenüber herkömmlichen Gasturbinenschaltungen vorverlegt werden kann, sodass in vorteilhafter Weise innerhalb Gasturbinenschaltung ein früherer Start der Gasturbine erfolgen kann.
  • Bei einer zweiten Gasturbinenschaltung ist ausgehend von der ersten Gasturbinenschaltung zudem im Abgasstrang stromab der Turbine und stromauf des elektrisch beheizten Katalysators eine Zusatzheizung, insbesondere eine Brennstoff-Zusatzheizung angeordnet, welche in vorteilhafter Weise eine weitere Temperaturerhöhung des Abgases bewirkt, das über den Wärmetauscher zu einer Erhöhung der Temperatur der in die Brennkammer strömenden Verbrennungsluft führt, sodass die weitere Temperaturerhöhung der Verbrennungsluft zu einem noch früheren Start der Turbine führt. Mit anderen Worten, es werden mittels der zweiten Gasturbinenschaltung (mit Zusatzheizung) Temperaturbedingungen geschaffen, die über die Brennstoffzuführung eine noch frühere Brennstoffeinbringung in die Brennkammer ermöglichen, wodurch in vorteilhafter Weise die Zündung des Brennstoffes in der Brennkammer gegenüber herkömmlichen Gasturbinenschaltungen und gegenüber der ersten erfindungsgemäßen Gasturbinenschaltung noch weiter vorverlegt werden kann, sodass in vorteilhafter Weise mittels der zweiten Gasturbinenschaltung ein noch früherer Start der Gasturbine erfolgen kann.
  • Bei einer dritten Gasturbinenschaltung ist von der ersten oder zweiten Gasturbinenschaltung ausgehend vorgesehen, dass im Abgasstrang stromab der Turbine und stromab des elektrisch beheizten Katalysators und des Wärmetauschers ein SCR-Katalysator in Kombination mit einer Reduktionsmittel-Einbringstelle stromauf des SCR-Katalysators angeordnet ist, der in vorteilhafter Weise als NOx-Speicherkatalysator eine Stickoxidemissionsminderung des Abgases bewirkt.
  • In einer vierten Gasturbinenschaltung, die wiederum von der ersten oder zweiten Gasturbinenschaltung ausgeht, ist vorgesehen, dass im Abgasstrang stromab der Turbine und stromab des elektrisch beheizten Katalysators stromauf des Wärmetauschers ein Rußpartikelfilter angeordnet ist, der in vorteilhafter Weise als Rußspeicher eine Rußpartikelemissionsminderung des Abgases bewirkt.
  • Schließlich ist eine fünfte Gasturbinenschaltung Gegenstand der Erfindung, wobei vorgesehen ist, dass im Abgasstrang stromab der Turbine und stromab des elektrisch beheizten Katalysators stromauf des Wärmetauschers der Rußpartikelfilter und stromab der Turbine und stromab des elektrisch beheizten Katalysators und des Wärmetauschers der SCR-Katalysator in Kombination mit der Reduktionsmittel-Einbringstelle stromauf des SCR-Katalysators angeordnet ist, sodass eine Rußpartikelemissionsminderung und eine Stickoxidemissionsminderung des Abgases bewirkt wird, wobei die fünfte Gasturbinenschaltung neben dem elektrisch beheizten Katalysators im Abgasstrang zudem stromab der Turbine und stromauf des elektrisch beheizten Katalysators eine Zusatzheizung, insbesondere eine Brennstoff-Zusatzheizung im Abgasstrang aufweisen kann.
  • Das Verfahren zur Emissionsminderung und zur Beschleunigung des Starts einer Gasturbine mittels einer der zuvor erläuterten Gasturbinenschaltungen zeichnet sich dadurch aus, dass die jeweilige Gasturbinenschaltung über einen Verbrennungsluftstrang verfügt, über den Verbrennungsluft angesaugt wird.
  • Die Verbrennungsluft wird in einem im Verbrennungsluftstrang angeordneten Verdichter verdichtet und mittels einem im Verbrennungsluftstrang und im Abgasstrang angeordneten Wärmetauscher mittels Abgas aus dem Abgasstrang aufgeheizt.
  • Anschließend wird die im Wärmetauscher vorgewärmte und zuvor verdichtete Verbrennungsluft einer Brennkammer zugeführt.
  • In der Brennkammer wird die Verbrennungsluft durch Verbrennen eines Brennstoffes unter Bildung eines Abgases aufgeheizt und anschließend einer Turbine zugeführt, die stromab der Brennkammer in dem Abgasstrang angeordnet ist, deren Rotationsenergie über mindestens einen Wellenstrang zunächst auf den Verdichter und die darüber hinaus gehende Rotationsenergie auf einen Generator zur Erzeugung von Elektroenergie übertragen wird.
  • Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass im Abgasstrang stromab der Turbine mittels mindestens einer emissionsmindernden Komponente gleichzeitig eine Emissionsminderung von im Abgas vorhandenen unerwünschten Emissionen erfolgt, wobei gleichzeitig das Startverhalten der Gasturbine beschleunigt wird, wodurch in vorteilhafter Weise ebenfalls eine Emissionsminderung von im Abgas vorhandenen unerwünschten Emissionen erreicht wird, da die Turbine schneller ihre sich an die Startphase anschließende geringe Emissionen aufweisende Betriebsphase erreicht.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Temperatur des Abgases stromauf des Wärmetauschers mindestens einmal erhöht wird, wodurch über den Wärmetauscher eine Erhöhung der Temperatur der in die Brennkammer strömenden Verbrennungsluft erreicht wird, sodass die Temperaturerhöhung der Verbrennungsluft das Startverhalten der Gasturbine beschleunigt.
  • Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass eine exotherme oxidative Umsetzung von Kohlenwasserstoffen und/oder Kohlenmonoxid des Abgases in einem elektrisch beheizten Katalysator durchgeführt wird, die zur Emissionsverringerung und die eine Temperaturerhöhung des Abgases bewirkt, das über den Wärmetauscher in vorteilhafter Weise zu einer Erhöhung der Temperatur, der in die Brennkammer strömenden Verbrennungsluft führt, sodass die weitere Temperaturerhöhung der Verbrennungsluft in vorteilhafter Weise zum früheren Start der Turbine führt.
  • Das Verfahren zeichnet sich ferner in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung dadurch aus, dass eine zusätzliche Beheizung des Abgases mittels einer Zusatzheizung, insbesondere einer Brennstoff-Zusatzheizung durchgeführt wird, wodurch eine weitere Temperaturerhöhung des Abgases bewirkt wird, das über den Wärmetauscher in vorteilhafter Weise zu einer Erhöhung der Temperatur des in die Brennkammer strömenden Verbrennungsluft führt, sodass die weitere Temperaturerhöhung der Verbrennungsluft in vorteilhafter Weise zu einem noch früheren Start der Turbine führt.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Zusatzheizung bedarfsabhängig intermittierend betrieben wird, sodass die zugeführte Brennstoffmenge und somit in vorteilhafter Weise die Temperatur der Abgases im Abgasstrang stromab der Zusatzheizung und in vorteilhafter Weise die Temperatur der Verbrennungsluft durch Wärmeübertragung aus dem Abgas auf die Verbrennungsluft innerhalb des Wärmetauschers moduliert wird.
  • In vorteilhafter Weise, wird die Zusatzheizung zu einem Zeitpunkt zugeschaltet und Brennstoff in den Abgasstrang geführt, der vor dem Zeitpunkt liegt, in dem eine Zündung des Brennstoffs in der Brennkammer erfolgt, wodurch die Turbine in vorteilhafter Weise bereits vor der Zündung des Brennstoffs in der Brennkammer Arbeit verrichtet, sodass ein früherer Start der Turbine und somit eine beschleunigter Generatorhochlauf eines mit dem Verdichter gekoppelten Generators erreicht wird.
  • Erfindungsgemäß ist gemäß den erläuterten Gasturbinenschaltungen vorgesehen, dass eine Reduktion von NOx-Partikeln im Abgas in einem SCR-Katalysators durchgeführt wird, die zu einer Stickoxidemissionsminderung des Abgases führt und/oder eine Speicherung von Rußpartikeln in einem Rußpartikelfilter durchgeführt wird, der als Rußspeicher zu einer Rußpartikelemissionsminderung des Abgases führt.
  • Die Erfindung betrifft insbesondere eine Elektrofahrzeug umfassend eine Gasturbine mit einer der beschriebenen Gasturbinenschaltungen und einen Energiespeicher, der zum Antreiben des Elektrofahrzeuges gespeicherte Energie für einen Elektroantrieb liefert, die dem Energiespeicher über die als Range-Extender ausgebildete Gasturbine mittels einem mit der Gasturbine gekoppelten Generator zuführbar ist, wobei die Gasturbine in vorteilhafter Weise gemäß dem erläuterten Verfahren gegenüber den herkömmlichen Gasturbinen mit geringen Emissionen und mit einem beschleunigten Startverhalten betrieben wird.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine Grundschaltung I einer Gasturbine und zugehöriger Komponenten (Gasturbinen-Schaltung);
    • 2 eine Gasturbinen-Schaltung II gemäß 1 ergänzt um eine Zusatzheizung, insbesondere um eine Brennstoff-Zusatzheizung;
    • 3 eine Gasturbinen-Schaltung III gemäß 2 ergänzt um einen SCR-Katalysator;
    • 4 eine Gasturbinen-Schaltung IV gemäß 2 ergänzt um einen Partikelfilter;
    • 5 eine Gasturbinen-Schaltung V gemäß 2 ergänzt um einen SCR-Katalysator und einen Partikelfilter.
  • Die 1 zeigt eine sogenannte Grundschaltung I einer Gasturbine 10 und ihrer peripheren Komponenten 20, 30, 40, 60, 90, welche die Gasturbinen-Schaltung in der Grundschaltung I bilden.
  • Die Gasturbine 10 treibt einen Generator 20 an. Diese Lösung stellt, insbesondere in der Verwendung der Gasturbine 10 als sogenannten Range-Extender eine leise und bauraumgünstige Lösung für ein nicht näher dargestelltes Elektrofahrzeug dar.
  • Die Gasturbine 10 umfasst einen Verdichter 10A und eine Turbine 10B. Sie wird aus Wirkungsgradgründen nur in der Nähe des Nennpunktes betrieben, denn bei starker Lastreduktion fällt der Wirkungsgrad steil (Last 1/1 bis 2/3 wird angestrebt) ab. Daraus folgt, dass die gewünschte elektrische Energie, die die Gasturbine 10 liefert, als gegeben anzusehen ist. Die gewünschte mittlere Leistung, bei der die Gasturbine 10 bei einer längeren Fahrt im Einsatz ist, wird durch Ein- und Ausschalten der Gasturbine 10 realisiert.
  • Vor allem die Emissionsspitzen von Kohlenwasserstoffen HC treten beim Anfahren der Brennkammer 30 auf. Die Erfindung zielt gemäß der Aufgabe der Erfindung darauf ab, die Emissionen beim Start zu verringern, zusätzlich wird gemäß der Aufgabe eine signifikante Beschleunigung des Startvorgangs angestrebt, wobei gleichzeitig dafür gesorgt werden soll, das abgasseitig extrem geringe NOx-Emissionen auftreten.
  • Die 1 zeigt, dass die Grundschaltung I einen elektrisch beheizbaren Katalysator 40 (kurz: E-Katalysator) umfasst, der bevorzugt mit einer Oxikat-Beschichtung zur (Kohlenwasserstoff (HC)-Umsetzung und Kohlenstoffmonoxid (CO) - Umsetzung versehen ist. Der E-Katalysator 40 ist direkt stromabwärts der Turbine 10B angeordnet, da dort die Gastemperatur so hoch ist, dass im Betrieb eine gute Konvertierungsrate erreicht wird. Aufgrund der hohen Abgastemperaturen ist eine hochtemperaturbeständige Beschichtung des E-Katalysators 40 notwendig, bei dem insbesondere die Oxidation von CO und CmHn parallel zueinander geregelt stattfindet.
  • Die hochtemperaturbeständige Beschichtung des E-Katalysators 40 weist eine geringe Niedertemperaturaktivität auf, wodurch eine zusätzliche elektrische Beheizung des Katalysators als E-Katalysators 40 (Elektro-Katalysator) erforderlich ist, um die Beschichtung rasch auf Betriebstemperatur zu bringen. Mit anderen Worten, insbesondere auch die Beschichtung des E-Katalysators 40 mit geringer Niedertemperaturaktivität muss vorgeheizt werden, um schnellst möglich ihre Aktivierungstemperatur bei zu erreichen.
  • Die Exothermie, die sich bei der Umsetzung von Kohlenwasserstoff (HC) und Kohlenstoffmonoxid (CO) im E-Katalysators 40 einstellt, führt ebenfalls zu einer, wenn auch geringeren Temperaturerhöhung.
  • Diese Temperaturerhöhung des Abgases, führt auch zu einer Temperaturerhöhung der verdichteten Verbrennungsluft FL, die über einen Wärmetauscher 60 (im Wärmetauscher 60 Wärmeübertrag des Abgases AG auf die Verbrennungsluft FL) in die Brennkammer 30 eintritt.
  • Je wärmer die Verbrennungsluft FL ist, die in die Brennkammer 30 strömt, desto weniger Brennstoff muss aufgewendet werden, um die gewünschte Turbineneintrittstemperatur an der Turbine 10B zu erreichen.
  • Als Brennstoff, der über eine Brennstoffzuführung 30A (vgl. Figuren) der Brennkammer 30 zugeführt wird, kann überwiegend CH4-haltiges Erdgas, insbesondere Methan CH4 oder auch Ethan C2H6 oder C3H8 Propan oder Butan C4H10 sowie Kerosin oder Diesel zum Einsatz kommen. Es versteht sich, dass in der Brennkammer 30 eine Zündquelle zum Zünden des Brennstoffs angeordnet ist.
  • Der Wärmetauscher 60 ist somit verbrennungsluftseitig stromab des Verdichters 10A vor der Brennkammer 30 und abgasseitig stromauf einem Schalldämpfer 90 und stromab des E-Katalysators 40 im Abgasstrang hinter der Brennkammer 30 angeordnet. Der E-Katalysator 40 ist stromab der Turbine 10B angeordnet.
  • Die 2 zeigt eine Gasturbinen-Schaltung II gemäß 1 ergänzt um eine Zusatzheizung 50, insbesondere um eine Brennstoff-Zusatzheizung als weitere Komponente, wobei als Brennstoff der Brennstoff-Zusatzheizung 50, derjenige Brennstoff eingesetzt wird, der auch in der Brennkammer 30 verbrannt wird.
  • Um die Gasturbine 10 schneller hochfahren zu können, wird bei der Gasturbinen-Schaltung II vor dem E-Katalysator 40 eine Zusatzheizung 50 als Brennstoff-Zusatzheizung integriert.
  • Es wird im Abgasstrang eine Brennstoffeinbringungsstelle als Brennstoff-Zusatzheizung 50 stromab der Turbine 10B und stromauf des E-Katalysators 40 vorgesehen.
  • Vorgesehen ist, dass eine bereits vorhandene (nicht dargestellte) Brennstoffpumpe, die für die Brennstoffversorgung der Brennkammer 30 über die Brennstoffzuführung 30A angeordnet ist, die Brennstoffeinbringungsstelle im Abgasstrang der Brennstoff-Zusatzheizung 50 ebenfalls mit Brennstoff versorgt.
  • Ein ebenfalls nicht näher dargestelltes Ventil erlaubt das Ein- und Ausschalten der Brennstoffeinbringungsstelle, mithin die Zuführung oder Unterbrechung der Brennstoffversorgung an der Brennstoffeinbringungsstelle mit eigener Zündquelle, sodass die Brennstoffmenge stromauf des E-Katalysators 40 hinter der Turbine 10B im Abgasstrang moduliert werden kann.
  • Die Umsetzung des derart eingebrachten Brennstoffs erfolgt auf dem E-Katalysator 40.
  • Die Wärme wird über den Wärmetauscher 60, der in die Brennkammer 30 strömenden Verbrennungsluft im Frischluftstrang zugeführt.
  • Durch den Brennstoffeintrag der Brennstoff-Zusatzheizung 50 wird nochmals für eine ansteigende Temperatur des Abgases AG gesorgt, sodass die Verbrennungsluft FL über den Wärmetauscher 60 ebenfalls noch weiter erhöht werden kann, sodass die in die Brennkammer 30 einströmende Verbrennungsluft FL noch wärmer ist als bisher, wodurch die Bedingungen für den Brennerstart in der Brennkammer noch weiter verbessert.
  • Es wird, insbesondere bei flüssigen Brennstoffen eine bessere Brennstoffverdampfung bewirkt, wodurch wiederum die Startemissionen verringert werden und ein früherer Start der Gasturbine 10 ermöglicht wird. Mit anderen Worten, es ist durch den früheren Start der Gasturbine 10 auch ein früherer Beginn der generatorischen Stromerzeugung im Generator 20 als bisher möglich, wobei insbesondere während des Gasturbinenhochlaufs der Gasturbine 10, das heißt zu Beginn der Brennstoffeinbringung in die Brennkammer 30 (Brennkammerstart), auch geringere Drehzahlen in der Gasturbine 10 gefahren werden können als bisher.
  • Durch die Wärme, die über den Wärmetauscher 60 auf die verdichtete Frischluft FL übertragen wird, beginnt die Turbine 10B bereits vor Zündung des Brennstoffs in der Brennkammer 30 Arbeit zu leisten. Hierdurch wird die Leistungsbilanz, das heißt die Verdichterantriebsleistung des Verdichters 10A und damit die Turbinenleistung der Turbine 10B verbessert, wodurch der auch der Generatorhochlauf beschleunigt. (= höherer Leistungsüberschuss) des Generators 20, der in der vorgeschlagenen Verwendung als E-Motor arbeitet, wodurch die Anlage schneller auf Startdrehzahl gebracht wird, da von der E-Motorleistung mehr Leistung für die Beschleunigung der Turbine 10B zur Verfügung steht. Mit anderen Worten, der frühere Start und damit der beschleunigte Generatorhochlauf des Generators 20 führt gegenüber bisherigen Generatoren zu einem Leistungsüberschuss.
  • Es wird erfindungsgemäß auch vorgeschlagen, beim Auslauf oder Herunterfahren der Gasturbine 10 mithilfe der eingeschalteten oder wieder eingeschalteten Brennstoff-Zusatzheizung 50 die Temperatur der Abgase AG hochzuhalten, damit gegebenenfalls aus der Brennkammer 30 ausdampfende Kohlenwasserstoffe HC noch sicher oxidiert werden.
  • Die 3 zeigt eine Gasturbinen-Schaltung III gemäß 2 ergänzt um einen SCR-Katalysator. Um die, wenn auch geringen Stickoxidemissionen der Gasturbine 10 weiter zu reduzieren, ist bei dieser Gasturbinen-Schaltung III ein SCR-Katalysator 70 vorgesehen.
  • In einem abgastemperaturseitigen Temperaturfenster zwischen 150°C und 450°C der Abgase AG im Abgasstrang wird eine sehr gute Wirksamkeit eines SCR-Katalysator 70 sicher gestellt, wobei eine Reduktionsmittel-Einbringungsstelle 80 zur Einbringung einer wässrigen Harnstofflösung als Reduktionsmittel vorgesehen ist. Die Reduktionsmittel-Einbringungsstelle 80 wird stromabwärts des Wärmetauschers 60 und stromauf nahe des Eingangs in den SCR-Katalysator 70 angeordnet, wie in 3 gezeigt ist.
  • An den SCR-Katalysator 70 schließt sich beispielsweise ein nicht dargestellter Sperr-Katalysator als NH3-Schlupfverhinderer an. Dabei kann der Sperr-Katalysator auf den SCR-Katalysator 70 „aufgezont“ sein oder ein separates Bauteil darstellen.
  • Damit das Reduktionsmittel nach der Reduktionsmittel-Einbringungsstelle 80 seine Wirkung entfalten kann, wird es stromabwärts des E-Katalysators 40 eingebracht, da das Reduktionsmittel ansonsten temperaturbedingt bereits im E-Katalysator 40 umgesetzt wird.
  • Der SCR-Katalysator 70 wirkt in vorteilhafter Weise aufgrund seiner vielen Kanäle wie ein Schalldämpfer. Das hat zur Folge, dass der dargestellte Schalldämpfer 90 im Abgasstrang einfacher ausgeführt werden oder sogar entfallen kann, wodurch Kosten und/oder Bauraum eingespart wird/werden.
  • 4 zeigt eine Gasturbinen-Schaltung IV gemäß 2 (ohne SCR-Katalysator 70) ergänzt um einen Partikelfilter 100.
  • Bei dieser weiteren Variante IV einer Gasturbinen-Schaltung ist nach dem E-Katalysator 40 ein Partikelfilter 100 vorgesehen, um eine abgasseitige Feinstaubbelastung der Umgebung auszuschließen und einen etwaigen Partikelanzahlgrenzwert sicher zu unterschreiten.
  • Partikel treten vor allem bei Betrieb mit flüssigem Brennstoff, insbesondere Benzin, Diesel und Kerosin auf, mithin weniger bei der Verwendung gasförmigen Brennstoffs auf.
  • Um einen Partikelanzahlgrenzwert einzuhalten wird der Partikelfilter 100 (vgl. 4) angeordnet. Der Partikelfilter 100 wird direkt stromabwärts des E-Katalysators 40 im Abgasstrang angeordnet, da dort die Temperaturen bei dem angestrebten Hochlastbetrieb der Gasturbine 10 so hoch sind, dass zusammen mit dem dauerhaft vorhandenen Luftüberschuss eine kontinuierliche thermische Regeneration des Partikelfilters 100 erfolgt.
  • Der Partikelfilter 100 wird derart auf einen hohen Abscheidegrad optimiert, sodass sich kein Rußkuchen, der bei anderen Anwendungen die Abscheidewirkung verbessert, bilden kann.
  • Die Beladbarkeit des Partikelfilters 100, mithin sein Rußspeichervermögen ist bei dieser Verwendung des Partikelfilters 100 gering, da vorgesehen ist, dass ein ständiger Partikelabbrand stattfindet.
  • Der Partikelfilter 100 dient bei dieser Verwendung innerhalb der Gasturbinen-Schaltung IV folglich nicht so sehr dem Aufbewahren der Partikel, wie bei einem herkömmlichen Diesel-Partikelfilter (DPF) zwischen den vorgesehenen Regenerationsintervallen, sondern dazu, die Partikel so lange der heißen Abgasatmosphäre auszusetzen, dass deren Verweilzeit so hoch wird, dass diese sicher oxidieren.
  • Die Gasturbine 10 kann nach dem Starten in der Anfangsphase des Hochfahrens der Gasturbine 10 durch die dann noch ungünstigen Temperaturbedingungen Partikel erzeugen.
  • Der Partikelfilter 100 nimmt diese dann, wie erläutert sicher auf. Bei längerem (hochlastigen) Betrieb der Gasturbine 10 findet, aufgrund der Bedingungen im Abgasstrom der Gasturbine 10 durch die hohen Temperaturen im Abgasstrang und durch den vorherrschenden Luftüberschluss eine kontinuierliche Regeneration statt.
  • Sollte die Gasturbine 10 nur intermittierend, insbesondere im steten Kurzzeitbetrieb (im Sinne einer ständigen Wechsels von Zuschalten und Abschalten der Gasturbine 10) betrieben werden, ist vorgesehen, dass über die Brennstoff-Zusatzheizung 50 zusammen mit dem E-Katalysator 40 eine Regeneration der Rußpartikel sichergestellt wird.
  • Es ist vorgesehen, dass durch Zusatzheizmaßnahmen die Temperatur auf über 550°C bis 600 °C, bei einem Verbrennungsluftverhältnis Lambda λ > 1 erhöht wird.
  • Ausgelöst wird die Regeneration beispielsweise modellbasiert entweder in Abhängigkeit der Betriebsdauer seit letzter Regeneration und/oder in Abhängigkeit der Anzahl der Zyklen und/oder in Abhängigkeit eines Temperaturprofils und/oder mittels einer Druckdifferenzsensorik (Druck vor und hinter Partikelfilter 100) über eine über den Partikelfilter 100 ermittelte Druckdifferenz.
  • Sofern eine passive Regeneration ausreichend ist beziehungsweise die ausschließliche Heizwirkung des E-Katalysators 40 zur Temperaturerhöhung des Abgases AG auf über 550°C bis 600°C ausreicht, kann auf die Zuschaltung der Brennstoff-Zusatzheizung 50 verzichtet werden. Es ist vorgesehen, um die Temperatur im Partikelfilter 100 zu ermitteln, dass die Temperaturen gegebenenfalls stromauf und stromabwärts des Partikelfilters 100 erfasst werden.
  • Die Gasturbinen-Schaltung III Gasturbinen-Schaltung IV können miteinander kombiniert werden, sodass sich gemäß 5 eine Gasturbinen-Schaltung V ergibt, die einen SCR-Katalysator 70 und einen Partikelfilter 100 sowie die Brennstoff-Zusatzheizung 50 und den E-Katalysator 40 umfasst.
  • Hierdurch wird alle zuvor beschriebenen einzelnen Effekte gemeinsam in einer Gasturbinen-Schaltung V erreicht. Es wird in dieser Gasturbinen-Schaltung V durch Kombination der Effekte der Gasturbinen-Schaltungen I bis IV die geringsten NOx-Emissionen, Rußpartikel-Emissionen, CO- Emissionen und HC-Emissionen im Abgas AG erreicht, wobei wie erläutert gleichzeitig schnellerer Hochlauf der Gasturbine 10 , insbesondere ein früheres und somit verbessertes Startverhalten der Gasturbine 10 sichergestellt wird.
  • Zusammenfassend aufgelistet, umfasst die Gasturbinen-Schaltung V in der alle Komponenten gemeinsam angeordnet sind, die folgenden Zusatzeinbauten beziehungsweise Funktionen, für eine Gasturbine 10 mit Wärmetauscher 60 in Strömungsrichtung des Abgases AG im Abgasstrang gesehen.
  • Stromabwärts der Turbine 10B im Abgasstrang, die Brennstoff-Zusatzheizung 50, den -E-Katalysator 40, den Partikelfilter 100 und stromabwärts des Wärmetauschers 60 die SCR-Reduktionsmitteleinbringungsstelle 80, den SCR-Katalysator 70 oder den SCR-Katalysator 70 und den Sperr-Katalysator.
  • Zusammengefasst, beschreibt die Erfindung Gasturbinenschaltungen I bis V in verschiedenen Ausführungsformen für ein Kraftfahrzeug, die in Strömungsrichtung eines geförderten Gasstroms (vor der Brennkammer 30 Verbrennungsluft FL und nach der Brennkammer 30 Abgas AG) einen zum Antrieb eines Generators 20 dienenden Verdichter 10, einen Wärmetauscher 60, die Brennkammer 30 und eine mit dem Verdichter 10A wirkverbundene Turbine 10B aufweist, und die nunmehr zur Emissions- und Temperatursteuerung des Gasstroms in Strömungsrichtung in einer mit allen Komponenten versehenen Gasturbinenschaltungen V nach der Turbine 10B zumindest eine elektrische Katalysator-Heizvorrichtung 40 mit einer Funktion zum Beheizen des Gasstroms und eine weitere Heizvorrichtung 50, insbesondere ein Brennstoffheizung ebenfalls mit einer Funktion zum Beheizen des Gasstroms, einen Partikelfilter 100 und einen selektiven katalytischen Reduktions-Katalysator 70 aufweist, wodurch der Zeitpunkt eines Turbinenbetriebes der Turbine 10B und somit des Generators 20 nach früh verlegt kann und gleichzeitig ein Schadstoffausstoß optimiert, insbesondere verringert werden kann.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Gasturbine
    10A
    Verdichter
    10B
    Turbine
    20
    Generator
    30
    Brennkammer
    30A
    Brennstoffzuführung
    40
    E-Katalysator
    50
    Zusatzheizung
    60
    Wärmetauscher
    70
    SCR-Katalysator
    80
    Einbringstelle, Reduktionsmittel
    90
    Schalldämpfer
    100
    Partikelfilter
    110
    Luftfilter
    FL
    Verbrennungsluft, Frischluft
    AG
    Abgas
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102004059318 A1 [0002]
    • US 6109018 A [0003]
    • DE 102011121992 A1 [0005]
    • US 2008236149 A1 [0006]

Claims (14)

  1. Gasturbinenschaltung (I bis V), die über einen Verbrennungsluftstrang verfügt, über den Verbrennungsluft (FL) angesaugt wird, wobei die Gasturbine (10) in einem im Verbrennungsluftstrang angeordneten Verdichter (10A) Verbrennungsluft (FL) verdichtet und mittels einem im Verbrennungsluftstrang und in einem Abgasstrang angeordneten Wärmetauscher (60) mittels Abgas (AG) aus dem Abgasstrang aufgeheizt wird, wobei die im Wärmetauscher (60) vorgewärmte zuvor verdichtete Verbrennungsluft (FL) einer Brennkammer (30) zugeführt wird, in der die Verbrennungsluft (FL) durch Verbrennen eines Brennstoffes unter Bildung eines Abgases (AG) aufgeheizt und anschließend einer Turbine (10B) zugeführt wird, die stromab der Brennkammer (30) in dem Abgasstrang angeordnet ist, deren Rotationsenergie über mindestens einen Wellenstrang zunächst auf den Verdichter (10A) und die darüber hinaus gehende Rotationsenergie auf einen Generator (20) zur Erzeugung von Elektroenergie übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrang b) stromab der Turbine (10B) mindestens eine emissionsmindernde Komponente (40, 70, 100) angeordnet ist, wobei mindestens eine der Komponenten (40) gleichzeitig zu der Emissionsminderung das Startverhalten der Gasturbine (10) beschleunigt.
  2. Gasturbinenschaltung (I) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrang b) stromab der Turbine (10B) und stromauf des Wärmetauschers (60) ein elektrisch beheizter Katalysator (40) angeordnet ist, der bei der exothermen oxidativen Umsetzung von Kohlenwasserstoffen (CmHn) und/oder Kohlenmonoxid (CO) unter Temperaturerhöhung des Abgases (AG) emissionsverringernd und durch die Temperaturerhöhung zu einem früheren Start der Turbine (10B) führt, da das Abgas (AG) über den Wärmetauscher (60) zu einer Erhöhung der Temperatur der in die Brennkammer (30) strömenden Verbrennungsluft (FL) führt, sodass die Temperaturerhöhung der Verbrennungsluft (FL) zu einem früheren Start der Turbine (10B) führt.
  3. Gasturbinenschaltung (II) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrang stromab der Turbine (10B) und stromauf des elektrisch beheizten Katalysators (40) eine Zusatzheizung (50), insbesondere eine Brennstoff-Zusatzheizung angeordnet ist, welche eine weitere Temperaturerhöhung des Abgases (AG) bewirkt, das über den Wärmetauscher (60) zu einer Erhöhung der Temperatur der in die Brennkammer (30) strömenden Verbrennungsluft (FL) führt, sodass die weitere Temperaturerhöhung der Verbrennungsluft (FL) zu einem noch früheren Start der Turbine (10B) führt.
  4. Gasturbinenschaltung (III) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrang stromab der Turbine (10B) und stromab des elektrisch beheizten Katalysators (40) und des Wärmetauschers (60) ein SCR-Katalysator (70) in Kombination mit einer Reduktionsmittel-Einbringstelle (80) stromauf des SCR-Katalysators (70) angeordnet ist, der als NOx-Speicherkatalysator eine Stickoxidemissionsminderung des Abgases (AG) bewirkt.
  5. Gasturbinenschaltung (IV) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrang stromab der Turbine (10B) und stromab des elektrisch beheizten Katalysators (40) stromauf des Wärmetauschers (60) ein Rußpartikelfilter (100) angeordnet ist, der als Rußspeicher eine Rußpartikelemissionsminderung des Abgases (AG) bewirkt.
  6. Gasturbinenschaltung (V) nach Anspruch 2 oder 3 sowie 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrang stromab der Turbine (10B) und stromab des elektrisch beheizten Katalysators (40) stromauf des Wärmetauschers (60) der Rußpartikelfilter (100) und stromab der Turbine (10B) und stromab des elektrisch beheizten Katalysators (40) und des Wärmetauschers (60) der SCR-Katalysator (70) in Kombination mit der Reduktionsmittel-Einbringstelle (80) stromauf des SCR-Katalysators (70) angeordnet ist, sodass eine Rußpartikelemissionsminderung und eine Stickoxidemissionsminderung des Abgases (AG) bewirkt wird.
  7. Verfahren zur Emissionsminderung und zur Beschleunigung des Starts einer Gasturbine (10) mittels einer Gasturbinenschaltung (I bis V), die über einen Verbrennungsluftstrang verfügt, über Verbrennungsluft (FL) angesaugt wird, die in einem im Verbrennungsluftstrang angeordneten Verdichter (10A) verdichtet und mittels einem im Verbrennungsluftstrang und in einem Abgasstrang angeordneten Wärmetauscher (60) mittels Abgas (AG) aus dem Abgasstrang aufgeheizt wird, wobei die im Wärmetauscher (60) vorgewärmte und zuvor verdichtete Verbrennungsluft (FL) einer Brennkammer (30) zugeführt wird, in der die Verbrennungsluft (FL) durch Verbrennen eines Brennstoffes unter Bildung eines Abgases (AG) aufgeheizt und anschließend einer Turbine (10B) zugeführt wird, die stromab der Brennkammer (30) in dem Abgasstrang angeordnet ist, deren Rotationsenergie über mindestens einen Wellenstrang zunächst auf den Verdichter (10A) und die darüber hinaus gehende Rotationsenergie auf einen Generator (20) zur Erzeugung von Elektroenergie übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgasstrang stromab der Turbine (10B) mindestens emissionsmindernde Komponente (40, 70, 100) angeordnet ist, wobei mindestens eine der Komponenten (40) gleichzeitig zu der Emissionsminderung das Startverhalten der Gasturbine (10) beschleunigt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Abgases (AG) stromauf des Wärmetauschers (60) mindestens einmal erhöht wird, wodurch über den Wärmetauscher (60) eine Erhöhung der Temperatur der in die Brennkammer (30) strömenden Verbrennungsluft (FL) erreicht wird, sodass die Temperaturerhöhung der Verbrennungsluft (FL) das Startverhalten der Gasturbine (10) beschleunigt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine exotherme oxidative Umsetzung von Kohlenwasserstoffen (CmHn) und/oder Kohlenmonoxid (CO) des Abgases (AG) in einem elektrisch beheizten Katalysator (40) durchgeführt wird, die zur Emissionsverringerung und die eine Temperaturerhöhung des Abgases (AG) bewirkt, das über den Wärmetauscher (60) zu einer Erhöhung der Temperatur, der in die Brennkammer (30) strömenden Verbrennungsluft (FL) führt, sodass die weitere Temperaturerhöhung der Verbrennungsluft (FL) zu einem früheren Start der Turbine (10B) führt.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Beheizung des Abgases (AG) mittels einer Zusatzheizung (50), insbesondere einer Brennstoff-Zusatzheizung durchgeführt wird, wodurch eine weitere Temperaturerhöhung des Abgases (AG) bewirkt wird, das über den Wärmetauscher (60) zu einer Erhöhung der Temperatur des in die Brennkammer (30) strömenden Verbrennungsluft (FL) führt, sodass die weitere Temperaturerhöhung der Verbrennungsluft (FL) zu einem noch früheren Start der Turbine (10B) führt.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzheizung (50) bedarfsabhängig intermittierend betrieben wird, sodass die zugeführte Brennstoffmenge und somit die Temperatur der Abgases (AG) im Abgasstrang stromab der Zusatzheizung (50) moduliert wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzheizung (50) zu einem Zeitpunkt zugeschaltet und Brennstoff in den Abgasstrang geführt wird, der vor dem Zeitpunkt liegt, in dem eine Zündung des Brennstoffs in der Brennkammer (30) erfolgt, wodurch die Turbine (10B) bereits vor der Zündung des Brennstoffs in der Brennkammer (30) Arbeit verrichtet, sodass ein früherer Start der Turbine (10B) und somit eine beschleunigter Generatorhochlauf eines mit dem Verdichter (10A) gekoppelten Generators (20) erreicht wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reduktion von NOx-Partikeln im Abgas (AG) in einem SCR-Katalysator (70) durchgeführt wird, die zu einer Stickoxidemissionsminderung des Abgases (AG) führt und/oder eine Speicherung von Rußpartikeln in einem Rußpartikelfilter (100) durchgeführt wird, der als Rußspeicher zu einer Rußpartikelemissionsminderung des Abgases (AG) führt.
  14. Elektrofahrzeug umfassend eine Gasturbine (10) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 und einen Energiespeicher, der zum Antreiben des Elektrofahrzeuges gespeicherte Energie für einen Elektroantrieb liefert, die dem Energiespeicher über die als Range-Extender ausgebildete Gasturbine (10) mittels einem mit der Gasturbine (10) gekoppelten Generator (20) zuführbar ist, wobei die Gasturbine (10) nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 13 emissionsverringernd und mit einem beschleunigten Startverhalten betrieben wird.
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