DE112006001974B4 - Method for operating a gas turbine and gas turbine for carrying out the method - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine (11), welche insbesondere in einem Kombikraftwerk (30, 40) eingesetzt ist, bei welchem Verfahren durch die Gasturbine (11) Luft angesaugt und verdichtet wird, die verdichtete Luft zur Verbrennung eines aus Kohle gewonnenen Syngases einer Brennkammer (18,19) zugeführt wird, und die bei der Verbrennung entstehenden heissen Gase in einer nachfolgenden Turbine (16, 17) unter Verrichtung von Arbeit entspannt werden, wobei ein Teil der verdichteten Luft in Sauerstoff und Stickstoff zerlegt wird, und der Sauerstoff in-einer Kohlevergasungsanlage (34) zur Erzeugung des Syngases eingesetzt wird, und wobei ein Teil der verdichteten Luft zur Kühlung der von den heissen Gasen belasteten Teile der Gasturbine (11) verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gasturbine (11) mit Zwischenüberhitzung verwendet wird, welche zwei Brennkammern (18, 19) und zwei Turbinen (16, 17) umfasst, wobei in der ersten Brennkammer (18) Syngas unter Einsatz der verdichteten Luft verbrannt und die entstehenden heissen Gase in der ersten Turbine (16) entspannt werden, und wobei in der zweiten Brennkammer Syngas unter Einsatz der aus der ersten Turbine (16) kommenden Gase verbrannt und die entstehenden heissen Gase in der zweiten Turbine (17) entspannt werden, und der bei der Luftzerlegung entstehende Stickstoff zur Kühlung der Gasturbine (11) verwendet wird, dass die Gasturbine (11 einen ersten Verdichter (13) zur Verdichtung von angesaugter Luft auf eine erste Druckstufe und einen zweiten Verdichter (14) zur weiteren Verdichtung der Luft von der ersten Druckstufe auf eine zweite, höhere Druckstufe umfasst, dass ein Teil der aus dem ersten Verdichter (13) kommenden Luft in Sauerstoff und Stickstoff zerlegt wird, und dass der bei dieser Zerlegung entstehende Stickstoff zur Kühlung der zweiten Brennkammer (18) und zweiten Turbine (17) verwendet wird, und dass ein Teil der für die Zerlegung abgezweigten verdichteten Luft aus dem ersten Verdichter (13) vor der Zerlegung abgezweigt und mit dem bei der Zerlegung entstehenden und für die Kühlung vorgesehenen Stickstoff vermischt wird.

Figure DE112006001974B4_0000
Method for operating a gas turbine (11), which is used in particular in a combined cycle power plant (30, 40), in which process air is drawn in and compressed by the gas turbine (11), the compressed air for combustion of a coal-derived syngas of a combustion chamber ( 18, 19), and the hot gases produced in the combustion are depressurized in a subsequent turbine (16, 17) by performing work, whereby a part of the compressed air is decomposed into oxygen and nitrogen, and the oxygen in one A coal gasification plant (34) is used to generate the syngas, and wherein a portion of the compressed air is used to cool the charged by the hot gases parts of the gas turbine (11), characterized in that a gas turbine (11) is used with reheat, which two combustion chambers (18, 19) and two turbines (16, 17), wherein in the first combustion chamber (18) syngas using the densified burned in the air and the resulting hot gases in the first turbine (16) are relaxed, and burned in the second combustion chamber syngas using the gases coming from the first turbine (16) and the resulting hot gases in the second turbine (17) are relaxed, and used in the air separation nitrogen for cooling the gas turbine (11) is used, that the gas turbine (11 a first compressor (13) for compressing sucked air to a first pressure stage and a second compressor (14) for further compression the air from the first pressure stage to a second, higher pressure stage comprises that part of the air coming from the first compressor (13) is decomposed into oxygen and nitrogen, and that the nitrogen resulting from this decomposition is used to cool the second combustion chamber (18). and a second turbine (17) is used, and that a part of the compressed air branched off for the separation from the first compressor (13) is used by the first compressor (13) or the decomposition is diverted and mixed with the nitrogen produced during the decomposition and intended for cooling.
Figure DE112006001974B4_0000

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Kraftwerkstechnik. Sie betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer (stationären) Gasturbine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Gasturbine zur Durchführung des Verfahrens.The present invention relates to the field of power plant technology. It relates to a method for operating a (stationary) gas turbine according to the preamble of claim 1, as well as a gas turbine for carrying out the method.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Es ist eine Gasturbine mit Zwischenüberhitzung (reheat gas turbine) bekannt (siehe z.B. die US 5 577 378 A oder „State-of-the-art gas turbines- a brief update“, ABB Review 0211997, 15, Turbinentyp GT26), die einen flexiblen Betrieb mit sehr niedrigen Abgasemissionswerten kombiniert.It is a gas turbine with reheat reheat gas turbine known (see for example the US 5 577 378 A or "State-of-the-art gas turbines - a letter update", ABB Review 0211997, 15 Turbine type GT26), which combines flexible operation with very low exhaust emissions.

Die Maschinenarchitektur der Gasturbine vom Typ GT26 ist ein einzigartig und eignet sich ausgezeichnet für die Realisierung eines Konzeptes, welches Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, weil:

  • - es beim Verdichter bereits eine bedeutsame Abzweigung von Verdichterluft bei mittleren Verdichterdrücken gibt,
  • - das Konzept der sequentiellen Verbrennung eine erhöhte Stabilität der Verbrennung bei verringerten Werten des Sauerstoffüberschusses ermöglicht, und
  • - ein Sekundärluftsystem vorhanden ist, welches es ermöglicht, Luft aus dem Verdichter abzuzweigen, herunterzukühlen und die heruntergekühlte Luft zur Kühlung der Brennkammer und der Turbine zu verwenden.
The machine architecture of the gas turbine type GT26 is unique and is ideally suited to the realization of a concept, which is the subject of the present invention, because:
  • there is already a significant diversion of compressor air at medium compressor pressures,
  • the concept of sequential combustion enables increased stability of combustion at reduced levels of excess oxygen, and
  • - There is a secondary air system, which makes it possible to divert air from the compressor, to cool down and to use the cooled air for cooling the combustion chamber and the turbine.

Das Prinzip der bekannten Gasturbine mit Zwischenüberhitzung ist in 1 dargestellt. Die Gasturbine 11, die Teil eines Kombikraftwerkes 10 ist, umfasst auf einer gemeinsamen Welle 15 angeordnet zwei hintereinander geschaltete Verdichter, nämlich einen Niederdruckverdichter 13 und einen Hochdruckverdichter 14, sowie zwei Brennkammern, nämlich eine Hochdruckbrennkammer 18 und eine Zwischenüberhitzungsbrennkammer19, und zugehörige Turbinen, nämlich eine Hochdruckturbine 16 und eine Niederdruckturbine 17. Die Welle 15 treibt einen Generator 12 an.The principle of the known gas turbine with reheat is in 1 shown. The gas turbine 11 , part of a combined cycle power plant 10 is, includes on a common wave 15 arranged two compressors in series, namely a low-pressure compressor 13 and a high pressure compressor 14 , as well as two combustion chambers, namely a high-pressure combustion chamber 18 and a reheat combustion chamber 19 , and associated turbines, namely a high pressure turbine 16 and a low-pressure turbine 17 , The wave 15 drives a generator 12 on.

Die Arbeitsweise der Anlage ist die folgende: Luft wird über einen- Lufteinlass 20 vom Niederdruckverdichter 13 angesaugt und zunächst auf ein Zwischendruckniveau (ca. 20 bar) verdichtet. Der Hochdruckverdichter 14 verdichtet die Luft dann weiter auf ein Hochdruckniveau (ca. 32 bar). Kühlluft wird sowohl auf dem Zwischendruckniveau als auch auf dem Hochdruckniveau abgezweigt und in zugehörigen OTC-Kühlern (OTC = Once Through Cooler) 23 und 24 abgekühlt und über Kühlleitungen 25 und 26 zur Kühlung an die Brennkammern 18, 19 und Turbinen 16, 17 weitergeleitet. Die verbleibende Luft aus dem Hochdruckverdichter 14 wird zur Hochdruckbrennkammer 18 geführt und dort durch Verbrennung eines über die Brennstoffzufuhr 21 zugeführten Brennstoffs aufgeheizt Das entstehende Abgas wird dann in der nachfolgenden Hochdruckturbine 16 unter Arbeitsleistung auf ein mittleres Druckniveau entspannt. Nach der Entspannung wird das Abgas in der Zwischenüberhitzungsbrennkammer 19 durch Verbrennung eines über die Brennstoffzufuhr 22 zugeführten Brennstoffs wieder erhitzt, bevor es in der nachfolgenden Niederdruckturbine 17 unter weiterer Arbeitsleistung entspannt wird.The operation of the system is as follows: Air is supplied via an air inlet 20 from the low-pressure compressor 13 sucked and first compressed to an intermediate pressure level (about 20 bar). The high pressure compressor 14 then compresses the air further to a high pressure level (about 32 bar). Cooling air is diverted both at the intermediate pressure level and at the high pressure level and cooled in associated OTC coolers (OTC) 23 and 24 and over cooling lines 25 and 26 for cooling to the combustion chambers 18 . 19 and turbines 16 . 17 forwarded. The remaining air from the high pressure compressor 14 becomes the high-pressure combustion chamber 18 led and there by burning one over the fuel supply 21 The resulting exhaust gas is then in the subsequent high-pressure turbine 16 relaxed under work to a medium pressure level. After expansion, the exhaust gas becomes in the reheat combustion chamber 19 by burning one over the fuel supply 22 fuel is reheated before it is in the subsequent low-pressure turbine 17 is relaxed under further work.

Die durch die Kühlleitungen 25, 26 strömende Kühlluft wird an geeigneten Stellen den Brennkammern18, 19 und Turbinen 16, 17 eingedüst, um die Materialtemperaturen auf ein vertretbares Maß zu begrenzen. Das aus der Niederdruckturbine 17 kommende Abgas wird durch einen Abhitzedampferzeuger 27 (HRSG = Heat-Recovery Steam Generator) geschickt; um Dampf zu erzeugen, der innerhalb eines Wasser-Dampf-Kreislaufs durch eine Dampfturbine 29 strömt und dort weitere Arbeit leistet. Nach dem Durchströmen des Abhitzedampferzeugers 27 wird das Abgas schließlich durch eine Abgasleitung 28 nach außen abgegeben. Die OTC-Kühler 23, 24 sind Teil des Wasser-Dampf- Kreislaufs; an ihren Ausgängen wird überhitzter Dampf erzeugt.The through the cooling lines 25 . 26 flowing cooling air is at suitable locations of the combustion chambers 18 . 19 and turbines 16 . 17 injected in order to limit the material temperatures to an acceptable level. That from the low-pressure turbine 17 Exhaust gas coming through a heat recovery steam generator 27 (HRSG = Heat-Recovery Steam Generator) sent; to generate steam within a water-steam cycle through a steam turbine 29 flows and does more work there. After flowing through the heat recovery steam generator 27 Finally, the exhaust gas is passed through an exhaust pipe 28 delivered to the outside. The OTC coolers 23 . 24 are part of the water-steam cycle; superheated steam is generated at their outputs.

Durch die beiden voneinander unabhängigen, aufeinanderfolgenden Verbrennungen in den Brennkammern 18 und 19 wird eine große Flexibilität im Betrieb erreicht; die Brennkammertemperaturen können so eingestellt werden, dass innerhalb der bestehenden Grenzen der maximale Wirkungsrad erreicht wird. Die niedrigen Abgaswerte des sequentiellen Verbrennungssystems sind durch die inhärent niedrigen Emissionswerte gegeben, die bei der Zwischenüberhitzung erreichbar sind (unter bestimmten Bedingungen führt die zweite Verbrennung sogar zu einem Verbrauch an NOx).By the two independent, consecutive burns in the combustion chambers 18 and 19 a great flexibility in the operation is achieved; the combustion chamber temperatures can be adjusted so that the maximum efficiency is achieved within the existing limits. The low emissions of the sequential combustion system are due to the inherently low levels of emissions that can be achieved during reheat (under certain conditions, the second combustion even results in NOx consumption).

Es sind andererseits Kombikraftwerke mit einstufiger Verbrennung in den Gasturbinen bekannt (siehe z.B. die US 4 785 622 A , die US 5 406 786 A oder US 6 513 317 B2 ), in denen eine Kohlevergasungsanlage integriert ist, um den für die Gasturbine benötigten Brennstoff in Form von aus Kohle gewonnenem Syngas bereitzustellen. On the other hand, combined-cycle power plants with single-stage combustion in gas turbines are known (see, for example, US Pat US 4,785,622 A , the US 5,406,786 A or US Pat. No. 6,513,317 B2 ), in which a coal gasification plant is integrated in order to provide the required for the gas turbine fuel in the form of coal-derived syngas.

Solche Kombikraftwerke werden als IGCC-Anlagen (IGCC. = Integrated Gasification Combined Cycle) bezeichnet.Such combined cycle power plants are referred to as IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle) systems.

Die vorliegende Erfindung geht nun von der Erkenntnis aus, dass durch den Einsatz von Gasturbinen mit Zwischenüberhitzung in einer IGCC-Anlage die Vorteile dieses Gasturbinentyps für die Anlage in besonderer Weise nutzbar gemacht werden können.The present invention is based on the recognition that through the use of gas turbines with reheating in an IGCC plant the advantages of this type of gas turbine for the system can be utilized in a special way.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer mit einer Kohlevergasungsanlage zusammenarbeitenden Gasturbine anzugeben, welches. sich durch, einen verbesserten Wirkungsgrad auszeichnet und sich mit vorhandenen Komponenten besonders günstig realisieren lässt, sowie eine Gasturbine zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.It is an object of the invention to provide a method for operating a cooperating with a coal gasification gas turbine, which. characterized by, improved efficiency and can be realized particularly low with existing components, and to provide a gas turbine for carrying out the method.

Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 4 gelöst. Wesentlich ist, dass in einer mit Syngas aus einer Kohlevergasungsanlage arbeitenden Gasturbinenanlage eine Gasturbine mit Zwischenüberhitzung verwendet wird, welche zwei Brennkammern und zwei Turbinen umfasst, wobei in der ersten Brennkammer Syngas unter Einsatz der verdichteten Luft verbrannt und die entstehenden heißen Gase in der ersten Turbine entspannt werden, und wobei in der zweiten Brennkammer Syngas unter Einsatz der aus der ersten Turbine kommenden Gase verbrannt und die entstehenden heißen Gase in der zweiten Turbine entspannt werden, und der bei der Luftzerlegung entstehende Stickstoff zur Kühlung der Gasturbine verwendet wird. Die erfindungsgemäße Lösung hat die folgenden Vorteile:

  • Es wird kein OTC-Kühler benötigt, wodurch sich der Wirkungsgrad erhöht. Es wird weniger Kühlluft benötigt, was ebenfalls dem Wirkungsgrad zugute kommt. Der vergleichsweise kalte Stickstoff aus der Luftzerlegungsanlage kann zur Kühlung kritischer Komponenten verwendet werden, während die wärmere Luft aus dem Verdichter zur Kühlung weniger kritischer Komponenten herangezogen werden kann; auch dies verbessert den Wirkungsgrad der Anlage.
  • Die beschrieben Kühlung kann bei Gasturbinen bekannter Baurat mit Zwischenüberhitzung wie z.B. der Gasturbine vom Typ GT26 aufgrund des spezifischen Sekundärluftsystems besonders einfach realisiert werden.
The object is solved by the entirety of the features of claims 1 and 4. It is essential that in a working with syngas from a coal gasification gas turbine plant, a gas turbine is used with reheat, comprising two combustion chambers and two turbines, burned in the first combustion chamber syngas using the compressed air and relaxes the resulting hot gases in the first turbine In the second combustion chamber, syngas is burned using the gases coming from the first turbine and the resulting hot gases in the second turbine are expanded, and the nitrogen resulting from the air separation is used to cool the gas turbine. The solution according to the invention has the following advantages:
  • There is no OTC cooler needed, which increases the efficiency. Less cooling air is needed, which also benefits the efficiency. The comparatively cold nitrogen from the air separation plant can be used to cool critical components, while the warmer air from the compressor can be used to cool less critical components; This also improves the efficiency of the system.
  • The described cooling can be realized particularly easily in gas turbines of known construction rate with reheating, such as, for example, the gas turbine of type GT26, due to the specific secondary air system.

Das erfindungsgemäße Verfahrens ist unter anderem dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine einen ersten Verdichter zur Verdichtung von angesaugter Luft auf eine erste Druckstufe und einen zweiten Verdichter zur weiteren Verdichtung der Luft von der ersten Druckstufe auf eine zweite, höhere Druckstufe umfasst, dass ein Teil der aus dem ersten Verdichter kommenden Luft in Sauerstoff und Stickstoff zerlegt wird, und dass der bei dieser Zerlegung entstehende Stickstoff zur Kühlung der zweiten Brennkammer und zweiten Turbine verwendet wird.The inventive method is inter alia characterized in that the gas turbine comprises a first compressor for compressing sucked air to a first pressure stage and a second compressor for further compression of the air from the first pressure stage to a second, higher pressure stage, that part of The first coming compressor air is decomposed into oxygen and nitrogen, and that the resulting nitrogen in this decomposition nitrogen is used for cooling the second combustion chamber and the second turbine.

Dabei wird ein Teil der für die Zerlegung abgezweigten verdichteten Luft aus dem ersten Verdichter vor der Zerlegung abgezweigt und mit dem bei der Zerlegung entstehenden und für die Kühlung vorgesehenen Stickstoff vermischt. Besonders günstige Verhältnisse ergeben sich, wenn etwa 50% der für die Zerlegung abgezweigten verdichteten Luft aus dem ersten Verdichter vor der Zerlegung abgezweigt und mit dem bei der Zerlegung entstehenden und für die Kühlung vorgesehenen Stickstoff vermischt werden. Bevorzugt wird der bei der Zerlegung entstehende Stickstoff vor der Vermischung mit der vor der Zerlegung abgezweigten verdichteten Luft verdichtet.In this case, a portion of the branched off for the decomposition compressed air is diverted from the first compressor before decomposition and mixed with the resulting during the decomposition and intended for cooling nitrogen. Particularly favorable conditions arise when about 50% of the branched off for the decomposition compressed air from the first compressor branched before the decomposition and mixed with the resulting during the decomposition and intended for cooling nitrogen. Preferably, the nitrogen produced during the decomposition is compacted prior to mixing with the compressed air branched off before the decomposition.

Die Gasturbine nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Abzweigleitung vorgesehen ist, welche von der Eingangsseite der Luftzerlegungsanlage abzweigt und an einem vorgesehenen Punkt in die Stickstoffleitung mündet, und dass in der Stickstoffleitung zwischen dem Ausgang der Luftzerlegungsanlage und dem vorgegebenen Punkt der Einmündung der Abzweigleitung ein Verdichter zur Verdichtung des Stickstoffs angeordnet ist.The gas turbine according to the invention is characterized in that a branch line is provided which branches off from the input side of the air separation plant and opens at a designated point in the nitrogen line, and that in the nitrogen line between the outlet of the air separation plant and the predetermined point of the mouth of the Branch line a compressor for the compression of the nitrogen is arranged.

Vorzugsweise weist die Gasturbine zwei hintereinandergeschaltete Verdichter auf, ist die Luftzerlegungsanlage eingangsseitig an den Ausgang des ersten Verdichters angeschlossen, und ist die Stickstoffleitung zur zweiten Brennkammer und zur zweiten Turbine geführt.Preferably, the gas turbine has two cascaded compressors, the air separation plant is connected on the input side to the output of the first compressor, and the nitrogen line is guided to the second combustion chamber and the second turbine.

Die Luftzerlegungsanlage weist insbesondere ausgangsseifig eine Sauerstoffleitung zur Abgabe des bei der Zerlegung entstehenden Sauerstoffs auf, welche zu einer Anlage zur Erzeugung von Syngas mittels Kohlevergasung geführt ist, und dass eine Syngaszuleitung das erzeugte Syngas von der Anlage zur Erzeugung von Syngas zu den Brennkammern transportiert.In particular, the air separation plant has an oxygen line for discharging the oxygen produced during the decomposition, which is fed to a plant for producing syngas by means of coal gasification, and a syngas feed line transports the generated syngas from the plant for producing syngas to the combustion chambers.

Figurenlistelist of figures

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen

  • 1 das vereinfachte Schema eines Kombikraftwerks mit einer Gasturbine mit Zwischenüberhitzung bzw. sequentieller Verbrennung nach dem Stand der Technik;
  • 2 das vereinfachte Schema einer IGCC-Anlage mit einer Gasturbine mit Zwischenüberhitzung bzw. sequentieller Verbrennung, wie sie zur Verwirklichung der Erfindung geeignet ist; und
  • 3 ein Ausführungsbeispiel für die Kühlung nach der Erfindung mit dem bei der Luftzerlegung gewonnenen Stickstoff in einer Anlage der in 2 gezeigten Art.
The invention will be explained in more detail with reference to embodiments in conjunction with the drawings. Show it
  • 1 the simplified scheme of a combined cycle power plant with a gas turbine with reheat or sequential combustion according to the prior art;
  • 2 the simplified scheme of an IGCC plant with a reheat gas turbine or sequential combustion, as is suitable for implementing the invention; and
  • 3 an embodiment of the cooling according to the invention with the obtained in the air separation nitrogen in a plant of in 2 shown type.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG WAYS FOR CARRYING OUT THE INVENTION

In der 2 ist in einem stark vereinfachten Schema eine IGCC-Anlage mit einer Gasturbine mit Zwischenüberhitzung bzw. sequentieller Verbrennung gezeigt, wie sie zur Verwirklichung der Erfindung geeignet ist. Das Kombikraftwerk 30 umfasst eine Gasturbine 11 mit einem Niederdruckverdichter 13, einem nachfolgenden Hochdruckverdichter 14, einer Hochdruckbrennkammer 18 mit einer nachfolgenden Hochdruckturbine 16 und einer Zwischenüberhitzungsbrennkammer 19 mit einer nachfolgenden Niederdruckturbine 17. Die Verdichter 13, 14 und die Turbinen 16, 17 sitzen auf einer gemeinsamen Welle 15, von der ein Generator 12 angetrieben wird. Die Brennkammern 18 und 19 werden über eine Syngaszuleitung 31 mit Syngas als Brennstoff versorgt, welches durch Vergasung von Kohle (Kohlezufuhr 33) in einer Kohlevergasungsanlage 34 erzeugt wird. Der Kohlevergasungsanlage 34 ist eine Kühlvorrichtung 35 für das Syngas, eine Reinigungsanlage 36 und ein CO2 Abscheider 37 mit einem CO2-Ausgang 38 zur Abgabe des abgeschiedenen C02 nachgeschaltet.In the 2 In a highly simplified schematic, an IGCC system with a reheat gas turbine or sequential combustion combustor as is suitable for practicing the invention is shown. The combined cycle power plant 30 includes a gas turbine 11 with a low pressure compressor 13 , a subsequent high-pressure compressor 14 , a high-pressure combustion chamber 18 with a subsequent high-pressure turbine 16 and a reheat combustion chamber 19 with a subsequent low-pressure turbine 17 , The compressors 13 . 14 and the turbines 16 . 17 sit on a common wave 15 from which a generator 12 is driven. The combustion chambers 18 and 19 be via a Syngaszuleitung 31 supplied with syngas as fuel, which by gasification of coal (coal 33 ) in a coal gasification plant 34 is produced. The coal gasification plant 34 is a cooling device 35 for the Syngas, a cleaning system 36 and a CO 2 separator 37 with a CO 2 outlet 38 downstream of the discharge of the deposited CO 2.

Zur Kohlevergasung in der Kohlevergasungsanlage 34 wird Sauerstoff (O2) verwendet, welcher in einer Luftzerlegungsanlage 32 gewonnen und über eine Sauerstoffleitung 32a zugeführt wird. Die Luftzerlegungsanlage 32 erhält verdichtete Luft vom Ausgang des Niederdruckverdichters 13. Der bei der Zerlegung ebenfalls entstehenden Stickstoff (N2) wird beispielsweise über eine Stickstoffleitung 32b der Niederdruckbrennkammer 19 zugeführt.For coal gasification in the coal gasification plant 34 is used oxygen (O 2 ), which in an air separation plant 32 won and over an oxygen line 32a is supplied. The air separation plant 32 receives compressed air from the outlet of the low-pressure compressor 13 , The nitrogen which also forms during the decomposition ( N2 ) is, for example, via a nitrogen line 32b the low-pressure combustion chamber 19 fed.

Zur Kühlung der vom Heissgas belasteten Komponenten der Brennkammern 18, 19 und Turbinen 16, 17 wird verdichtete Kühlluft an den Ausgängen der beiden Verdichter 13 und 14 abgezapft, in einem nachgeschalteten OTC-Kühler 23 bzw. 24 abgekühlt, und dann über entsprechende Kühlleitungen 25 und 26 den zu kühlenden Stellen zugeführt. Am Ausgang der Niederdruckturbine 17 ist ein Abhitzedampferzeuger 27 angeordnet, der zusammen mit einer angeschlossenen Dampfturbine 29 Teil eines Wasser-Dampf-Kreislaufs ist. Das aus dem Abhitzedampferzeuger 27 austretende Abgas wird über eine Abgasleitung 28 nach außen abgegeben.For cooling the hot gas loaded components of the combustion chambers 18 . 19 and turbines 16 . 17 is compressed cooling air at the outputs of the two compressors 13 and 14 tapped, in a downstream OTC cooler 23 or. 24 cooled, and then over appropriate cooling lines 25 and 26 supplied to the bodies to be cooled. At the exit of the low-pressure turbine 17 is a heat recovery steam generator 27 arranged, together with a connected steam turbine 29 Part of a water-steam cycle is. That from the heat recovery steam generator 27 exiting exhaust gas is via an exhaust pipe 28 delivered to the outside.

In einer solchen Anlagenkonfiguration wird nun gemäß 3 die Kühlung umgestellt. In dem Kombikraftwerk 40 der 3 werden zwar die Hochdruckbrennkammer 18 und die Hochdruckturbine 16 nach wie vor durch verdichtete Luft gekühlt, die am Ausgang des Hochdruckverdichters 14 abgezweigt und dann in einem OTC -Kühler 24 heruntergekühlt wird. Die Kühlung der Zwischenüberhitzungsbrennkammer 19 und der Niederdruckturbine 17 erfolgt jedoch nunmehr auf andere Weise. Dazu wird am Ausgang des Niederdruckverdichters 13 abgezweigte verdichtete Luft zu 50% in der Luftzerlegungsanlage 32 in Sauerstoff und Stickstoff zerlegt. Die anderen 50% werden in einer Abzweigleitung 39 an der Luftzerlegungsanlage 32 vorbeigeführt. Der über die Sauerstoffleitung 32a aus der Luftzerlegungsanlage 32 abgeführte Sauerstoff wird- wie in 2 gezeigt- zur Kohlevergasung eingesetzt. Der erzeugte, relativ kühle Stickstoff wird durch die Stickstoffleitung 32b einem Verdichter 41 zugeführt und nach der Verdichtung mit den 50% Luft aus der Abzweigleitung 39 vermischt. Die Gastemperatur nach der Vermischung beträgt dann etwa 300-400°C, so dass eine Kühlung der am Niederdruckverdichter 13 extrahierten Kühlluft nicht nötig ist. Die. entstehende Mischung wird dann zur Kühlung der heißen Komponenten der Zwischenüberhitzungsbrennkammer 19 und der Niederdruckturbine 17 verwendet.In such a system configuration is now according to 3 changed the cooling. In the combined cycle power plant 40 the 3 Although the high pressure combustion chamber 18 and the high-pressure turbine 16 still cooled by compressed air at the outlet of the high pressure compressor 14 branched off and then in an OTC cooler 24 is cooled down. The cooling of the reheat combustion chamber 19 and the low-pressure turbine 17 However, now takes another way. This is done at the output of the low-pressure compressor 13 Discharged compressed air at 50% in the air separation plant 32 decomposed into oxygen and nitrogen. The other 50% will be in a branch line 39 at the air separation plant 32 past. The over the oxygen line 32a from the air separation plant 32 Dissipated oxygen becomes as in 2 shown used for coal gasification. The generated, relatively cool nitrogen is through the nitrogen line 32b a compressor 41 fed and after compression with the 50% air from the branch line 39 mixed. The gas temperature after mixing is then about 300-400 ° C, so that a cooling of the low-pressure compressor 13 extracted cooling air is not necessary. The. The resulting mixture is then used to cool the hot components of the reheat combustion chamber 19 and the low-pressure turbine 17 used.

Die Vorteile dieser Art der Kühlung sind:

  • - Es wird kein OTC-Kühler benötigt, wodurch sich der Wirkungsgrad erhöht.
  • - Es wird weniger Kühlluft benötigt, was ebenfalls dem Wirkungsgrad zugute kommt.
  • - Der vergleichsweise kalte Stickstoff aus der Luftzerlegungsanlage kann zur Kühlung kritischer Komponenten verwendet werden, während die wärmere Luft aus dem Verdichter zur Kühlung weniger kritischer Komponenten herangezogen werden kann; auch dies verbessert den Wirkungsgrad der Anlage.
  • - Die beschriebene Kühlung kann bei Gasturbinen bekannter Bauart mit Zwischenüberhitzung wie z.B. der Gasturbine vom Typ GT26 aufgrund des spezifischen Sekundärluftsystems besonders einfach realisiert werden.
The advantages of this type of cooling are:
  • - There is no OTC cooler needed, which increases the efficiency.
  • - Less cooling air is needed, which also benefits the efficiency.
  • - The comparatively cold nitrogen from the air separation plant can be used to cool critical components, while the warmer air from the compressor can be used to cool less critical components; This also improves the efficiency of the system.
  • - The described cooling can be particularly easily realized in gas turbines of known design with reheat, such as the gas turbine type GT26 due to the specific secondary air system.

Voraussetzung für die Verwirklichung dieses Konzeptes ist, dass in den beiden Brennkammern der Gasturbine unverdünntes Kohlegas verwendet werden kann. Die hauptsächlichen technischen Herausforderungen bei der Verbrennung solches unverdünnten Kohlegases in der Brennkammer einer Gasturbine sind: das Erreichen niedriger Emissionswerte,
ein ausreichender Abstand zu den Grenzen von Flammenrückschlägen und Pulsationen, die Aufrechterhaltung der Flexibilität im Betrieb bei Änderungen in der Qualität des Kohlegases, sowie die Möglichkeit der Unterstützung mit anderen Brennstoffen (Erdgas oder Öl), und
das Abzapfen und Einspeisen von Kühlluft in die Bereiche des Heissgaskanals in der Brennkammer und in der Turbine.
The prerequisite for the realization of this concept is that undiluted coal gas can be used in the two combustion chambers of the gas turbine. The main technical challenges in burning such undiluted coal gas in the combustor of a gas turbine are: achieving low emissions,
a sufficient distance from the limits of flashbacks and pulsations, the maintenance of flexibility in operation in the event of changes in the quality of coal gas, as well as the possibility of support with other fuels (natural gas or oil), and
the bleeding and feeding of cooling air into the areas of the hot gas channel in the combustion chamber and in the turbine.

Diese Herausforderungen können bei IGCC-Anlagen von der Konzeption her aus folgenden Gründen besonders gut durch eine Gasturbine mit Zwischenüberhitzung bewältigt werden:

  1. 1. Der bei der Zwischenüberhitzung inhärente Vorteil bezüglich NOx kann auch auf das Syngas übertragen werden, wenn die Verbrennungstemperaturen in den beiden Brennkammern optimal ausgewählt werden, insbesondere mit einer gemäßigten Temperaturerhöhung in der ersten Stufe (Hochdruckbrennkammer 18).
  2. 2. Die Stabilität der Verbrennung und die Flexibilität beim Betrieb der Gasturbine mit Zwischenüberhitzung sind grösser als bei einer vergleichbaren Gasturbine mit einstufiger Verbrennung. Die Betriebsgrenzen werden typischerweise durch die Flammenauslöschung und den Flammenrückschlag und/oder Emissionsniveaus für eine vorgegebene Flammentemperatur gegeben, was zu einem erlaubten Bereich von Brennstoffqualitäten und Brennstoffreaktivitäten führt. In der Gasturbine mit Zwischenüberhitzung ist diese Betriebsgrenze deutlich erhöht, weil zwei Verbrennungssysteme den Betrieb bei zwei unabhängigen Flammentemperaturen ermöglichen, z.B. mit einer niedrigeren Temperatur .in der ersten Stufe und einer höheren Temperatur in der zweiten Stufe, mit geringen Nachteilen bezüglich des NOx.
  3. 3. Die Anforderungen für den Gasdruck können minimiert werden, wenn das Brenngas unverdünnt (ohne Stickstoff) in das erste und zweite Verbrennungssystem injiziert wird, die typischerweise mit Drücken im Bereich> 30 bar bzw. zwischen 15 und 20 bar arbeiten.
  4. 4. Das Konzept der Extraktion von Kühlluft, die anschließend heruntergekühlt und in die Maschine wieder eingespeist wird, eignet sich besonders gut für die Verwendung von Stickstoff als Kühlmedium.
For IGCC plants, these challenges can be overcome particularly well by a gas turbine with reheat for the following reasons:
  1. 1. The inherent in the reheating advantage with respect to NOx can also be transferred to the syngas when the combustion temperatures are optimally selected in the two combustion chambers, in particular with a moderate temperature increase in the first stage (high-pressure combustion chamber 18 ).
  2. 2. The stability of the combustion and the flexibility in the operation of the gas turbine with reheat are greater than in a comparable gas turbine with single-stage combustion. The operating limits are typically given by flame extinction and flashback and / or emission levels for a given flame temperature, resulting in an allowable range of fuel qualities and fuel reactivities. In the superheated gas turbine, this operating limit is significantly increased because two combustion systems allow operation at two independent flame temperatures, eg lower temperature in the first stage and higher temperature in the second stage, with minor disadvantages with respect to NOx.
  3. 3. The requirements for gas pressure can be minimized if the fuel gas is injected undiluted (without nitrogen) into the first and second combustion systems, which typically operate at pressures in the range> 30 bar and between 15 and 20 bar.
  4. 4. The concept of extraction of cooling air, which is then cooled down and fed back into the machine, is particularly well suited for the use of nitrogen as a cooling medium.

Claims (7)

Verfahren zum Betrieb einer Gasturbine (11), welche insbesondere in einem Kombikraftwerk (30, 40) eingesetzt ist, bei welchem Verfahren durch die Gasturbine (11) Luft angesaugt und verdichtet wird, die verdichtete Luft zur Verbrennung eines aus Kohle gewonnenen Syngases einer Brennkammer (18,19) zugeführt wird, und die bei der Verbrennung entstehenden heissen Gase in einer nachfolgenden Turbine (16, 17) unter Verrichtung von Arbeit entspannt werden, wobei ein Teil der verdichteten Luft in Sauerstoff und Stickstoff zerlegt wird, und der Sauerstoff in-einer Kohlevergasungsanlage (34) zur Erzeugung des Syngases eingesetzt wird, und wobei ein Teil der verdichteten Luft zur Kühlung der von den heissen Gasen belasteten Teile der Gasturbine (11) verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gasturbine (11) mit Zwischenüberhitzung verwendet wird, welche zwei Brennkammern (18, 19) und zwei Turbinen (16, 17) umfasst, wobei in der ersten Brennkammer (18) Syngas unter Einsatz der verdichteten Luft verbrannt und die entstehenden heissen Gase in der ersten Turbine (16) entspannt werden, und wobei in der zweiten Brennkammer Syngas unter Einsatz der aus der ersten Turbine (16) kommenden Gase verbrannt und die entstehenden heissen Gase in der zweiten Turbine (17) entspannt werden, und der bei der Luftzerlegung entstehende Stickstoff zur Kühlung der Gasturbine (11) verwendet wird, dass die Gasturbine (11 einen ersten Verdichter (13) zur Verdichtung von angesaugter Luft auf eine erste Druckstufe und einen zweiten Verdichter (14) zur weiteren Verdichtung der Luft von der ersten Druckstufe auf eine zweite, höhere Druckstufe umfasst, dass ein Teil der aus dem ersten Verdichter (13) kommenden Luft in Sauerstoff und Stickstoff zerlegt wird, und dass der bei dieser Zerlegung entstehende Stickstoff zur Kühlung der zweiten Brennkammer (18) und zweiten Turbine (17) verwendet wird, und dass ein Teil der für die Zerlegung abgezweigten verdichteten Luft aus dem ersten Verdichter (13) vor der Zerlegung abgezweigt und mit dem bei der Zerlegung entstehenden und für die Kühlung vorgesehenen Stickstoff vermischt wird.Method for operating a gas turbine (11), which is used in particular in a combined cycle power plant (30, 40), in which process air is drawn in and compressed by the gas turbine (11), the compressed air for combustion of a coal-derived syngas of a combustion chamber ( 18, 19), and the hot gases produced in the combustion are depressurized in a subsequent turbine (16, 17) by performing work, whereby a part of the compressed air is decomposed into oxygen and nitrogen, and the oxygen in one A coal gasification plant (34) is used to generate the syngas, and wherein a portion of the compressed air is used to cool the charged by the hot gases parts of the gas turbine (11), characterized in that a gas turbine (11) is used with reheat, which two combustion chambers (18, 19) and two turbines (16, 17), wherein in the first combustion chamber (18) syngas using the compression combusted and the resulting hot gases in the first turbine (16) are relaxed, and burned in the second combustion chamber syngas using the gases coming from the first turbine (16) and the resulting hot gases in the second turbine (17) are relaxed, and used in the air separation nitrogen for cooling the gas turbine (11) is used, that the gas turbine (11 a first compressor (13) for compressing sucked air to a first pressure stage and a second compressor (14) for further compression the air from the first pressure stage to a second, higher pressure stage comprises that part of the air coming from the first compressor (13) is decomposed into oxygen and nitrogen, and that the nitrogen resulting from this decomposition is used to cool the second combustion chamber (18). and second turbine (17) is used, and that a part of the compressed for the decomposition compressed air from the first compressor (13) branched off before the decomposition and mixed with the nitrogen produced during the decomposition and intended for cooling. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass etwa 50% der für die Zerlegung abgezweigten verdichteten Luft aus .dem ersten Verdichter (13) vor der Zerlegung abgezweigt und mit dem bei der Zerlegung entstehenden und für die Kühlung vorgesehenen Stickstoff vermischt werden.Method according to Claim 1 characterized in that about 50% of the compressed air branched off for disassembly from the first compressor (13) is diverted prior to disassembly and mixed with the nitrogen produced during disassembly and intended for cooling. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der bei der Zerlegung entstehende Stickstoff vor der Vermischung mit der vor der Zerlegung abgezweigten verdichteten Luft verdichtet wird.Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that the nitrogen produced during the decomposition is compacted before being mixed with the compressed air branched off before the decomposition. Gasturbine (11) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, welche Gasturbine (11) als Gasturbine mit Zwischenüberhitzung ausgelegt ist und Verdichter (13, 14) zur Verdichtung von angesaugter Luft sowie zwei Brennkammern (18, 19) und zwei Turbinen (16, 17) umfasst, wobei in der ersten Brennkammer (18) ein Brennstoff unter Einsatz der verdichteten Luft verbrannt und die entstehenden heissen Gase in der ersten Turbine (16) entspannt werden, und wobei in der zweiten Brennkammer der Brennstoff unter Einsatz der aus der ersten Turbine (16) kommenden Gase verbrannt und die entstehenden heissen Gase in der zweiten Turbine (17) entspannt werden, dadurch gekennzeichnet, das eine Luftzerlegungsanalge (32) vorgesehen ist, welche eingangsseitig an die Verdichter (13, 14) angeschlossen ist und ausgangsseitig eine Stickstoffleitung (32b) zur Abgabe des bei der Zerlegung entstehenden Stickstoffs aufweist, und dass die Stickstoffleitung (32b) mit durch die heissen Gase belasteten Teilen der Gasturbine (11) in Verbindung steht, und dass eine Abzweigleitung (39) vorgesehen ist, welche von der Eingangsseite der Luftzerlegungsanlage (32) abzweigt und an einem vorgesehenen Punkt in die Stickstoffleitung (32b) mündet.Gas turbine (11) for performing the method according to Claim 1 , which gas turbine (11) is designed as a reheat gas turbine and compressor (13, 14) for compressed intake air and two combustion chambers (18, 19) and two turbines (16, 17), wherein in the first combustion chamber (18) a fuel is burned using the compressed air and the resulting hot gases in the first turbine (16) are relaxed, and wherein burned in the second combustion chamber using the gases coming from the first turbine (16) and the resulting hot gases in the second turbine (17) are relaxed, characterized in that a Luftzerlegungsanalge (32) is provided, which on the input side to the compressor (13, 14) is connected and the output side, a nitrogen line (32b) for discharging the nitrogen produced during the decomposition, and that the nitrogen line (32b) is in communication with parts of the gas turbine (11) which are loaded by the hot gases, and in that a branch line (39) is provided, which from the input side of the air separation plant (32) branches off and at a designated point in the nitrogen line (32b) opens. Gasturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Stickstoffleitung (32b) zwischen dem Ausgang der Luftzerlegungsanlage (32) und dem vorgegebenen Punkt der Einmündung der Abzweigleitung (39) ein Verdichter (41) zur Verdichtung des Stickstoffs angeordnet ist.Gas turbine after Claim 4 , characterized in that in the nitrogen line (32b) between the output of the air separation plant (32) and the predetermined point of the junction of the branch line (39) is arranged a compressor (41) for compressing the nitrogen. Gasturbine nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine (11) zwei hintereinandergeschaltete Verdichter (13, 14) aufweist, das die Luftzerlegungsanlage (32) eingangsseitig an den Ausgang des ersten Verdichters (13) angeschlossen ist, und dass die Stickstoffleitung (32b) zur zweiten Brennkammer (18) und zur zweiten Turbine (17) geführt ist.Gas turbine after one of the Claims 4 or 5 , characterized in that the gas turbine (11) comprises two compressors (13, 14) connected in series, the air separation plant (32) being connected on the input side to the output of the first compressor (13), and the nitrogen line (32b) being connected to the second combustion chamber (32). 18) and to the second turbine (17) is guided. Gasturbine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzerlegungsanlage (32) ausgangsseitig eine Sauerstoffleitung (32a) zur Abgabe des bei der Zerlegung entstehenden Sauerstoffs aufweist, welche zu einer Anlage (33,..,38) zur Erzeugung von Syngas mittels Kohlevergasung geführt ist, und dass eine Syngaszuleitung (31) das erzeugte Syngas von der Anlage (33,..,38) zur Erzeugung von Syngas zu den Brennkammern transportiert.Gas turbine after one of the Claims 4 to 6 , characterized in that the air separation plant (32) on the output side an oxygen line (32a) for discharging the oxygen resulting from the decomposition, which is led to a plant (33, .., 38) for generating syngas by means of coal gasification, and that Syngaszuleitung (31) the generated syngas from the plant (33, .., 38) transported to the production of syngas to the combustion chambers.
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