DE10312971B4 - Verfahren zum Betreiben einer Gasturbogruppe - Google Patents
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Abstract
Description
- Technisches Gebiet
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Gasturbogruppe mit einer ersten Brennkammer und einer zweiten Brennkammer, wobei zwischen der ersten Brennkammer und der zweiten Brennkammer eine Kühleinrichtung angeordnet ist.
- Aus der
EP 0 620 362 B1 ist eine Gasturbogruppe bekannt. Diese umfasst zumindest einen Verdichter, eine stromab des Verdichters angeordnete erste Brennkammer, eine stromab der ersten Brennkammer angeordnete erste Turbine, eine stromab der ersten Turbine angeordnete zweite Brennkammer sowie eine stromab der zweiten Brennkammer angeordnete zweite Turbine. Mit der bekannten Gasturbogruppe kann somit ein Gasturbinenprozess realisiert werden, der mit einer sequenziellen Verbrennung in zwei Brennkammern und mit zwei Turbinen arbeitet. Mit Hilfe der sequenziellen Verbrennung können die Emissionswerte extrem verbessert werden. Darüber hinaus besitzt eine derartige Gasturbogruppe im Vergleich zu einer herkömmlichen Gasturbogruppe mit nur einer Brennkammer und nur einer Turbine einen erheblich verbesserten Wirkungsgrad. Aus derGB 2 086 031 A WO 2003/038 253 A1 DE 196 44 378 A1 sind gattungsgemäße Gasturbogruppen bekannt. - Dennoch besteht weiterhin der Wunsch, bei einer Gasturbogruppe der eingangs genannten Art den Wirkungsgrad und/oder die Emissionswerte zu verbessern.
- Darstellung der Erfindung
- Hier setzt die Erfindung an. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Betriebsverfahren einer Gasturbogruppe eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere eine Verbesserung der Emissionswerte und/oder des energetischen Wirkungsgrads ermöglicht.
- Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
- Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, in einer Gasturbogruppe eine zweistufige Verbrennung ohne Zwischenschaltung einer Turbine durchzuführen. Die Erfindung nutzt hierbei die Erkenntnis, dass bei einer magerbetriebenen Brennkammer in den Verbrennungsabgasen regelmäßig so viel Oxidator verbleibt, dass für eine nachfolgende zusätzliche Verbrennungsstufe an sich nur Brennstoff zugeführt werden muss, wobei dann noch immer ein mageres Brennstoff-Oxidator-Gemisch vorliegt. Bei fehlender Turbine zwischen den beiden Verbrennungsstufen bzw. Brennkammern ergeben sich jedoch stromab der ersten Brennkammer relativ hohe Abgastemperaturen, die bei einer Zumischung von Brennstoff zu einer sofortigen Zündung, also bei unzureichender Durchmischung zu einer Verbrennungsreaktion führen würde, bei der nachteilig hohe Emissionswerte entstehen würden. Abhilfe könnte hier eine relativ aufwändige Gemischbildung stromauf der zweiten Brennkammer bringen, bei der, z. B. in geeigneten Vormischbrennern der Brennstoff einem Oxidator zugemischt wird und dann erst indirekt in die zweite Brennkammer den heißen Verbrennungsabgasen der ersten Brennkammer zugeführt wird. Um diesen relativ hohen Aufwand zu vermeiden, wird bei der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, die heißen Verbrennungsabgase der ersten Brennkammer zu kühlen, bevor der Brennstoff in die Verbrennungsabgase eingeleitet wird, um so das Brennstoff-Oxidator-Gemisch für die zweite Brennkammer zu bilden. Durch die Abkühlung der Verbrennungsabgase der ersten Brennkammer bzw. der ersten Verbrennungsstufe kann die Abgastemperatur soweit abgesenkt werden, dass die Zündung des eingeleiteten Brennstoffs soweit verzögert wird, dass eine hinreichende Gemischbildung stattfinden kann, um das gewünschte magere Brennstoff-Oxidator-Gemisch zwischen den Verbrennungsabgasen der ersten Brennkammer und dem zusätzlich zugeführten Brennstoff auszubilden. Von besonderer Bedeutung ist dabei, dass der Brennstoff für die zweite Verbrennungsstufe direkt, also ohne Vorgemischbildung in die gekühlten Abgase der ersten Verbrennungsstufe eingeleitet werden kann. Insoweit kann für die Brennstoffzuführung in der zweiten Verbrennungsstufe auf konventionelle, in der Praxis bewährte Technologien zurückgegriffen werden.
- Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen zweistufigen Mager-Mager-Verbrennung, ohne zwischengeschaltete Turbine, ist es im Nennbetriebspunkt der Gasturbogruppe möglich, besonders günstige Emissionswerte zu erzielen. Des Weiteren kann der Wirkungsgrad der Gasturbogruppe verbessert werden. Darüber hinaus ergeben sich erhebliche Vorteile für transiente Betriebszustände. Beispielsweise kann im Teillastbetrieb die zweite Brennkammer deaktiviert werden, während die erste Brennkammer nach wie vor in ihrem Nennbetriebszustand arbeitet.
- Hierdurch kann die erste Verbrennungsstufe hinsichtlich Emissionswerte und Wirkungsgrad optimal arbeiten, wodurch in diesen transienten Betriebszuständen die Gasturbogruppe insgesamt günstige Werte für Emission und Wirkungsgrad besitzt. Des Weiteren ist es möglich, die zweite Verbrennungsstufe, insbesondere beim Hochfahren der Gasturbogruppe oder für Spitzenlasten, als ”Booster” zu verwenden, indem der zweiten Verbrennungsstufe entsprechend erhöhte Brennstoffmengen zugeführt werden.
- Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung können die Verbrennungsgase der ersten Brennkammer mittels Wärmeübertragung gekühlt werden. Den Verbrennungsgasen wird somit Wärme entzogen und auf ein anderes Medium übertragen, so dass es möglich ist, die aus dem Gasturbinenprozess entnommene Wärme an anderer Stelle zu verwenden. Beispielsweise kann die entnommene Wärme zur Dampferzeugung für eine Dampfturbine genutzt werden.
- Alternativ kann die Kühlung der Verbrennungsgase der ersten Brennkammer auch dadurch erreicht werden, dass ein geeignetes Kühlfluid in die Verbrennungsgase eingeleitet wird. Bei dieser Vorgehensweise erfolgt die Temperaturabnahme der Verbrennungsgase aufgrund der Durchmischung mit dem kühleren Kühlfluid. Bei einer solchen Kühlung wird jedoch der Massenstrom durch die Kühlung erhöht, was gleichzeitig eine Leistungssteigerung der Gasturbogruppe nach sich ziehen kann. Dementsprechend kann auch die Kühlung durch Einleiten oder Eindüsen des Kühlfluids als Booster genutzt werden, um, insbesondere kurzfristig, die Leistung der Gasturbogruppe zu steigern.
- Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche, ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,
-
1 bis3 jeweils einen stark vereinfachten Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Gasturbogruppe bei verschiedenen Ausführungsformen. - Wege zur Ausführung der Erfindung
- Entsprechend den
1 bis3 umfasst eine Gasturbogruppe1 , die hier als Gasturbine ausgebildet ist, einen oder mehrere Verdichter2 , eine erste Brennkammer3 , eine zweite Brennkammer4 und zumindest eine Turbine5 . Die erste Brennkammer3 ist stromab des Verdichters2 angeordnet. Die zweite Brennkammer4 befindet sich stromab der ersten Brennkammer3 . Die Turbine5 ist stromab der zweiten Brennkammer4 angeordnet. Der ersten Brennkammer3 ist eine erste Brennstoffzuführungseinrichtung6 zugeordnet, die entsprechend einem Pfeil7 der ersten Brennkammer3 Brennstoff zuführt. Üblicherweise handelt es sich bei der ersten Brennkammer3 um eine Ringbrennkammer. Die Brennstoffzuführung erfolgt dann über mehrere, in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Vormischbrenner8 . - Die zweite Brennkammer
4 ist vorzugsweise ebenfalls als Ringbrennkammer ausgestaltet. Der zweiten Brennkammer4 ist eine zweite Brennstoffzuführungseinrichtung9 zugeordnet, die den Brennstoff der zweiten Brennkammer4 entsprechend einem Pfeil10 zuführt. Die Zuführung des Brennstoffs erfolgt dabei zweckmäßig über mehrere Brenner11 , die in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind. - Wie aus den
1 bis3 hervorgeht ist somit zwischen den beiden Brennkammern3 und4 bei den hier gezeigten bevorzugten Varianten keine Turbine bzw. keine Turbinenstufe angeordnet. - Zwischen der ersten Brennkammer
3 und der zweiten Brennkammer4 , also stromab der ersten Brennkammer3 und stromauf der zweiten Brennkammer4 ist eine Kühleinrichtung12 angeordnet, die es ermöglicht, den aus der ersten Brennkammer3 austretenden Verbrennungsgasen Wärme zu entziehen, bevor diese in die zweite Brennkammer4 eintreten. - Entsprechend
1 kann die Kühleinrichtung12 einen oder mehrere Wärmeübertrager13 aufweisen. Ein solcher Wärmeübertrager13 enthält einen Verbrennungsgaspfad14 , der hier durch einen Pfeil symbolisiert ist und der im Betrieb der Gasturbogruppe1 von den Verbrennungsgasen der ersten Brennkammer3 durchströmt ist. Mit diesem Verbrennungsgaspfad14 ist ein Kühlfluidpfad15 wärmeübertragend gekoppelt, der ebenfalls den Wärmeübertrager13 durchsetzt. Im Betrieb der Gasturbogruppe1 ist der Kühlfluidpfad15 von einem Kühlfluid durchströmt, z. B. Wasser oder Wasserdampf. Im Wärmeübertrager13 wird im Betrieb Wärme von den Verbrennungsgasen auf das Kühlfluid übertragen, wodurch die Verbrennungsgase gekühlt und das Kühlfluid erwärmt wird. Das erwärmte Kühlfluid kann stromab des Wärmeübertragers13 für andere Prozesse genutzt werden. Beispielsweise kann das Kühlfluid, sofern es sich um Wasserdampf handelt, einer Dampfturbine zugeführt werden. - Entsprechend den
2 und3 kann die Kühleinrichtung12 eine Eindüseinrichtung16 aufweisen, mit deren Hilfe ein Kühlfluid in einen durch einen Pfeil symbolisierten Verbrennungsgaspfad14 eingeleitet bzw. eingedüst werden kann. Dieser Verbrennungsgaspfad14 befindet sich dabei zwischen der ersten Brennkammer3 und der zweiten Brennkammer4 , zweckmäßig stromauf der Brenner11 der zweiten Brennkammer4 . Dieser Verbrennungsgaspfad14 ist im Betrieb der Gasturbogruppe1 von den Verbrennungsgasen der ersten Brennkammer3 durchströmt. - Entsprechend
2 kann es sich bei der Eindüseinrichtung16 um eine extern arbeitende Eindüseinrichtung16 handeln, die das jeweilige Kühlfluid extern, also von außen in den Verbrennungsgaspfad14 einleitet. Die externe Zuführung des Kühlfluids ist in2 durch einen Pfeil18 symbolisiert. Beim extern zugeführten Kühlfluid kann es sich zweckmäßig um ein für die Verbrennungsreaktion inertes Fluid handeln wie z. B. Wasser oder Wasserdampf. Ebenso ist es möglich, Frischluft, Bypassluft oder Kühlluft als externes Kühlfluid zu verwenden. - Entsprechend
3 kann die Eindüseinrichtung17 als interne Eindüseinrichtung17 ausgestaltet sein, die das jeweilige Kühlfluid intern, also von innen dem Verbrennungsgaspfad14 zuführt. Diese interne Kühlfluidzuführung ist in3 durch Pfeile19 symbolisiert. Beim intern zugeführten Kühlfluid handelt es sich zweckmäßig um Kühlluft, die einem Kühlluftsystem der Gasturbogruppe1 an geeigneten Stellen entnommen werden kann. Beispielsweise sind die beiden Brennkammern3 und4 in einem Gehäuse20 der Gasturbogruppe1 von einer Kühllufthülle21 umgeben, die vom Verdichter2 gespeist wird. - Die Gasturbogruppe
1 wird erfindungsgemäß wie folgt betrieben: Der Verdichter2 erzeugt verdichtetes Frischgas, das den Vormischbrennern8 der ersten Brennkammer3 zugeführt wird. Ein Teilstrom des verdichteten Frischgases kann dabei als Kühlgas bzw. Kühlluft dienen und zur Kühlung unterschiedlicher Komponenten der Gasturbogruppe1 genutzt werden. Die erste Brennstoffzuführungseinrichtung6 düst den Brennstoff in den Vormischbrennern8 direkt in das komprimierte Frischgas ein. Die Brennstoffeindüsung und die Vormischbrenner8 sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass sich ein mageres Brennstoft-Oxidator-Gemisch einstellt, das in der ersten Brennkammer3 mit günstigen Werten für Schadstoffemission und Wirkungsgrad verbrennt. Die dabei entstehenden Verbrennungsgase werden durch die Kühleinrichtung12 der zweiten Brennkammer4 zugeführt. - In der Kühleinrichtung
12 werden die Verbrennungsgase der ersten Brennkammer3 soweit abgekühlt, dass die folgende direkte Brennstoffeindüsung in die Verbrennungsgase nicht zu einer unerwünscht frühen Selbstentzündung führt. Beispielsweise werden die Verbrennungsgase mit Hilfe der Kühleinrichtung12 auf etwa 1.100°C abgekühlt. - In den Brennern
11 wird dann den abgekühlten Verbrennungsgasen mit Hilfe der zweiten Brennstoffzuführungseinrichtung9 erneut Brennstoff zugeführt, wobei auch hier die Brenner und die Brennstoffzuführung so konfiguriert sind, dass sich ein mageres Brennstoff-Oxidator-Gemisch ausbilden kann, das in der zweiten Brennkammer4 mit günstigen Werten für Schadstoffemission und Wirkungsgrad verbrennt. - Die in der zweiten Brennkammer
4 gebildeten Verbrennungsgase werden dann der Turbine5 zugeführt. - Die Kühlung der Verbrennungsabgase der ersten Brennkammer
3 bevor die zweite Brennstoffzuführungseinrichtung9 den Brennstoff eindüst führt dazu, dass vor der Selbstzündung des mit der zweiten Brennstoffzuführungseinrichtung9 eingedüsten Brennstoffs eine hinreichende Gemischbildung in den Brennern11 stattfinden kann. Durch diese Maßnahme ist gewährleistet, dass die gewünschte magere Verbrennung stattfinden kann. - Durch die Abkühlung der Verbrennungsabgase der ersten Brennkammer
3 ist es somit möglich, mit Hilfe der zweiten Brennstoffzuführungseinrichtung9 den Brennstoff direkt in die abgekühlten Verbrennungsgase einzudüsen. Dies ist von besonderem Vorteil, da somit auf konventionelle und in der Praxis bewährte Technologien für die direkte Brennstoffeindüsung zurückgegriffen werden kann. - Wesentliche Vorteile der so ermöglichten Mager-Mager-Verbrennung sind zum einen verbesserte Werte für Schadstoffemission und Wirkungsgrad der Gasturbogruppe
1 . Zum anderen ergeben sich Vorteile beim Betrieb der Gasturbogruppe1 außerhalb ihres Nennbetriebszustands. Beispielsweise kann die Gasturbogruppe1 auch mit nur einer Brennkammer3 ,4 , zweckmäßig mit der ersten Brennkammer3 , betrieben werden, um beispielsweise einen Teillastbetrieb zu ermöglichen. In einem solchen Teillastbetrieb der Gasturbogruppe1 kann die erste Brennkammer3 in ihrem Nennbetriebspunkt betrieben werden, wodurch auch im Teillastfall günstige Werte für Schadstoffemission und Wirkungsgrad erzielbar sind. Darüber hinaus ergeben sich Möglichkeiten, die Leistungsabgabe der Gasturbogruppe1 beim Anfahren und/oder bei Spitzenlastzeiten kurzfristig zu erhöhen, indem beispielsweise der zweiten Brennkammer4 eine erhöhte Brennstoffmenge zugeführt wird. - Beachtenswert ist außerdem, dass bei der sequentiellen Verbrennung grundsätzlich kein zusätzliches Frischgas zugeführt werden muss, um sowohl für die erste Brennkammer
3 als auch für die zweite Brennkammer4 ein mageres Brennstoff-Oxidator-Gemisch bereitzustellen. Zu diesem Zweck wird das Brennstoff-Luft-Verhältnis für das der ersten Brennkammer3 zugeführte Brennstoff-Oxidator-Gemisch so mager gewählt, dass den entstehenden mageren Verbrennungsgasen der ersten Brennkammer3 noch eine für die Verbrennungsreaktion in der zweiten Brennkammer4 erforderliche Brennstoffmenge zugeführt werden kann und das so für die zweite Brennkammer4 gebildete Brennstoff-Oxidator-Gemisch noch hinreichend mager ist, um die erwünschte schadstoffarme und effiziente Verbrennung zu realisieren. - Während bei der Kühlung der Verbrennungsgase mit Hilfe des Wärmeübertragers
13 gemäß1 der Massenstrom von der ersten Brennkammer3 zur zweiten Brennkammer4 im Wesentlichen konstant bleibt, kann mit Hilfe der Eindüseinrichtung16 oder17 entsprechend den2 oder3 der der zweiten Brennkammer4 zugeführte Massenstrom erhöht werden. Damit kann gleichzeitig eine Leistungssteigerung der nachfolgenden Turbine5 erzielt werden. Die mit der Eindüseinrichtung16 oder17 arbeitenden Kühleinrichtungen12 sind insbesondere dann von Interesse, wenn die Kühlfluideindüsung zur kurzfristigen Leistungssteigerung der Gasturbogruppe1 genutzt werden soll, um beispielsweise Spitzenlastzeiten zu überbrücken und/oder das Anfahren der Gasturbogruppe1 zu beschleunigen. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Gasturbogruppe
- 2
- Verdichter
- 3
- erste Brennkammer
- 4
- zweite Brennkammer
- 5
- Turbine
- 6
- erste Brennstoffzuführungseinrichtung
- 7
- Brennstoffzuführung
- 8
- Vormischbrenner
- 9
- zweite Brennstoffzuführungseinrichtung
- 10
- Brennstoffzuführung
- 11
- Brenner
- 12
- Kühleinrichtung
- 13
- Wärmeübertrager
- 14
- Verbrennungsgaspfad
- 15
- Kühlfluidpfad
- 16
- Eindüseinrichtung
- 17
- Eindüseinrichtung
- 18
- externe Kühlfluidzuführung
- 19
- interne Kühlfluidzuführung
- 20
- Gehäuse
- 21
- Kühllufthülle
Claims (8)
- Verfahren zum Betreiben einer Gasturbogruppe (
1 ) umfassend wenigstens einen Verdichter (2 ), eine stromab des Verdichters (2 ) angeordnete erste Brennkammer (3 ), eine stromab der ersten Brennkammer (3 ) angeordnete zweite Brennkammer (4 ) und eine stromab der zweiten Brennkammer (4 ) angeordnete Turbine (5 ), wobei die Verbrennungsgase stromab der ersten Brennkammer (3 ) und stromauf der zweiten Brennkammer (4 ) gekühlt werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch für die ersten Brennkammer (3 ) mager gewählt ist. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsgase mittels eines Wärmeübertragers (
13 ) gekühlt werden, indem ein von den Verbrennungsgasen durchströmbarer Verbrennungsgaspfad (14 ) mit einem von einem Kühlfluid durchströmbaren Kühlfluidpfad (15 ) wärmeübertragend gekoppelt ist. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Kühlen der Verbrennungsgase ein Kühlfluid in einen von den Verbrennungsgasen durchströmbaren Verbrennungsgaspfad (
14 ) eingeleitet wird. - Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlfluid ein für die Verbrennungsreaktionen in der zweiten Brennkammer (
4 ) inertes Fluid verwendet wird. - Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlfluid Wasser, Wasserdampf, Frischluft, Bypassluft oder Kühlluft verwendet wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, – dass eine erste Brennstoffzuführungseinrichtung (
6 ) Brennstoff der ersten Brennkammer (3 ) zuführt, – dass eine zweite Brennstoffzuführungseinrichtung (9 ) Brennstoff der zweiten Brennkammer (4 ) zuführt, – dass die zweite Brennstoffzuführungseinrichtung (9 ) den Brennstoff direkt in die Verbrennungsgase der ersten Brennkammer (3 ) eindüst. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch für die zweite Brennkammer (
4 ) mager gewählt ist. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch für die erste Brennkammer (
3 ) so mager gewählt ist, dass ein für die zweite Brennkammer (4 ) geeignetes mageres Brennstoff-Oxidator-Gemisch durch die Zuführung von Brennstoff in die Verbrennungsgase der ersten Brennkammer (3 ) gebildet wird.
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