DE3142994C2 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbinen-Energie
versorgungsanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Gasturbinen-Energieversorgungsanlagen sind beispielsweise
in den Druckschriften US-PS 37 91 137 und US-PS 41 64 846 beschrieben, sowie
in einem Aufsatz von V. de Biasi mit dem Titel "AEP designing
a 60-MW ′PFB′ gas turbine plant", der in der Nummer vom März
1977 des Gas Turbine World Magazine erschienen ist. Solche
Gasturbinenanlagen bestehen aus einem Wirbelbettreaktor
(fluidized bed reactor), auch Brennkammer genannt, in dem
bzw. der Druckluft von einem durch eine Gasturbine ange
triebenen Kompressor benutzt wird, um Kohlepartikel und
Partikel eines Bindemittels für Schwefeldioxid in Schwebe
zu halten und Sauerstoff für die Verbrennung der Kohle zu
zuführen. Die gasförmigen Verbrennungsprodukte werden dann
von der Brennkammer durch Separatoren zum Entfernen mitge
rissener Feststoffe (Gasreinigungssystem) geleitet, und ge
langen zu einer Gasturbine zum Antrieb einer Last, z. B. ei
nes Stromgenerators.
Beim Betrieb solcher Gasturbinen-Energieversorgungsanlagen
entsteht das Problem, daß bei fehlender Last, wenn die Gas
turbine willentlich oder zufällig abgeschaltet wird, ein
Kompressorstoß auftritt, der zu einer Beschädigung dessel
ben führen kann. Da die Wirbelbett-Brennkammer und der Separator
(das Reinigungssystem für die Verbrennungsprodukte) ein außer
ordentlich großes Volumen von unter Druck stehendem gasförmi
gem Fluid mit hoher Temperatur bildet (beispielsweise ein Gas
volumen von 1560 m3 (55 000 cubic feet) mit einer Temperatur
zwischen 371°C und etwa 1051°C), das nicht schnell abgleitet
werden kann, tritt beim Abschalten der Anlage und bei der
Verringerung oder beim plötzlichen Abhandenseins des Kompressor
ausgangsdruckes eine Strömung von gasförmigem Fluid von der
Wirbelbettkammer zum Kompressor hin auf. Dieser Rückstrom
von heißem gasförmigem Fluid ergibt einen Rückdruck am
Kompressorauslaß, der in den Kompressor schlägt und diesen
beschädigen kann. Weiter kann eine Beschädigung des Kompressors
und anderer Bestandteile durch die heißen Gase und die fein
verteilten, mit dem gasförmigen Fluid mitgerissenen Fest
stoffe, wie unverbrannte Kohle, Dolomit und Asche erfolgen.
Aus der DE-OS 29 20 069 ist eine Gasturbinenkraftwerksanlage
bekannt, bei der ein Steuersystem rasch auf an einer Frei
flugturbine wirksame Geschwindigkeits- und/oder Lastbedarfs
änderungen ansprechen soll, ohne den thermodynamischen Be
trieb einer Wirbelbett-Brennvorrichtung zu beeinträchtigen.
Die Druck-Wirbelbett-Verbrennungsvorrichtung erhält von
einem über eine Gasturbine angetriebenen Kompressor und
einer Hauptluftleitung Druckluft und gibt Verbrennungsgase
über Verbrennungsgas reinigende Separatoren und eine Verbren
nungsgasleitung an die Gasturbine ab. Von der Gasturbine
werden sie dann der Freilaufturbine zur Stromerzeugung zur
Verfügung gestellt. In der Verbrennungsgasleitung ist zwi
schen den Separatoren und der ersten Gasturbine ein Rück
schlagventil vorgesehen, das eine Gasströmung in Richtung
der Druck-Wirbelbett-Verbrennungsvorrichtung verhindert.
Nachteilig bei einer solchen Gasturbinenkraftwerksanlage ist
jedoch, daß es bei Abfall der Turbinenlast in der Gasturbine
zu einem Rückschlagen von Verbrennungsgasen über die Haupt
luftleitung in den Kompressor kommen kann, wodurch der Kom
pressor zerstört oder zumindest beschädigt werden könnte.
Aus der US 40 86 758 ist eine Kombinations-Dampf- und Gas
turbinenenergieversorgungsanlage bekannt, bei der einer Wir
belbett-Brennkammer von einem Kompressor Druckluft zur Verfu
gung gestellt wird. Nach dem Verbrennungsvorgang des Brenn
stoffes werden die Verbrennungsgase über eine Verbrennungs
reinigungsvorrichtung und eine Verbrennungsgasleitung an
eine Gasturbine weitergeleitet. Über einen Wärmetauscher,
der ebenfalls Druckluft vom Kompressor erhält, kann die Tem
peratur in der Wirbelbett-Brennkammer gesteuert werden. Über
einen weiteren Kühlkreislauf wird Wärme aus der Wirbelbett-
Brennkammer abgeführt, die zum Antreiben einer weiteren Tur
bine benutzt wird. Der weitere Kühlkreislauf ist über ein
Ventil zum Reduzieren des Druckes beispielsweise im Falle
eines Lastabfalls mit der Umgebungsatmosphäre verbunden.
Aus der DE-0S 24 37 782 ist eine weitere Gasturbinenenergie
versorgungsanlage bekannt. Die Anlage umfaßt einen Gastur
binenvorverdichter, der die angesaugte und vorverdichtete
Luft zum Teil an eine Brennkammer und zum Teil an einen End
verdichter weitergibt. Die mittels des Endverdichters weiter
komprimierte Luft wird unter Zwischenschaltung eines Rück
schlagventils einem Kohledruckreaktor zur Verfügung ge
stellt, von dem die in diesem entstandenen, brennbaren Gase
über einen Gaswäscher und ein Steuerventil an eine Entspan
nungsturbine weitergeleitet werden, welche das brennbare Gas
der Brennkammer zur Verfügung stellt. Durch Verbrennen der
Gase wird über Heizrohre eine zur Stromerzeugung verwendete
Dampfturbine angetrieben. Die Verbrennungsgase aus der Brenn
kammer werden dann über eine Gasturbine entspannt, die wiede
rum den ersten Gasturbinenverdichter antreibt.
Auch in den zwei letztgenannt angegebenen Druckschriften
werden keine Maßnahmen vorgeschlagen, wie Rückschläge in den
Kompressor vermieden werden könnten.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schutzsteuersystem für
eine Gasturbinen-Energieversorgungsanlage der eingangs ge
nannten Art zu schaffen, das Rückschläge in den Kompressor
und das Überführen mitgerissener Feststoffe in den Kompres
sor bei Verlust der Turbinenlast verhindert, wodurch das Ab
schalten der Anlage einschließlich der Wirbelbett-Brennkam
mer ohne Rückschlagen von gasförmigem Fluid von der Wirbel
bett-Brennkammer zum Kompressor mit einem darauf folgenden
Kompressorschlag und einer damit einhergehenden möglichen Be
schädigung des Kompressors ermöglicht werden soll.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Gasturbinen
Energieversorgungsanlage durch die im kennzeichnenden Teil
des Anspruches 1 beschriebenen Merkmale gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Schutzsystem für eine
Gasturbinen-Energieversorgungsanlage mit einer Druck-Wirbel
bett-Brennkammer, in der feinverteilter Festbrennstoff zur
Erzeugung von unter Druck stehenden Verbrennungsgasen ver
brannt wird. Ein Luftkompressor ist über eine Hauptleitung
zur Zulieferung von Druckluft von einem Druckluftauslaß des
Kompressors in die Druck-Wirbelbett-Brennkammer mit dieser
verbunden, um feinverteilten Festbrennstoff und feinverteil
te inerte Materialien in Schwebe zu halten (Fluidisierung)
und die Verbrennung des Brennstoffes zu stützen. In der An
lage ist weiter eine Expansionsvorrichtung, beispielsweise
eine Gasturbine, über eine Verbrennungsgas-Leitungseinrich
tung so angeschlossen, daß sie Verbrennungsgase von der Wir
belbett-Brennkammer erhält und dadurch angetrieben wird.
Durch ein Ventil in der Verbrennungsgas-Leitungseinrichtung
wird der Durchfluß von Verbrennungsgasen durch die Leitung
gesteuert, so daß in einer wirksamen Stellung der Durchstrom
von Verbrennungsgasen zur Expansionseinrichtung verhindert
wird.
Erfindungsgemäß wird durch die selbsttätige Absperreinrich
tung, beispielsweise dem Rückschlagventil, in der Hauptlei
tung wirksam eine Strömung gasförmiger Fluide von der Wirbel
bett-Brennkammer zum Luftkompressor verhindert. Ein zweites
Rückschlagventil verhindert eine Gasströmung von der Wirbel
bett-Brennkammer in die Expansionseinrichtung bei plötzli
cher Lastverminderung oder beim Abschalten der Anlage.
Durch weitere Ventile, welche in Strömungsrichtung nach den
Separatoren angeordnet sind, kann ein Abblasen der Wirbel
bettkammer bei Abschalten der Anlage erreicht werden und ein
Druckaufbau bei einer geschlossenen Ventileinrichtung in der
Verbrennungsgase-Luftleiteinrichtung vermieden werden.
Durch die mit einem Ventil versehene Ausblasleitung zwischen
dem Luftauslaß des Luftkompressors und der selbstätigen Ab
sperreinrichtung kann ein Druckluftauslaß bei Notabschaltung
der Anlage beispielsweise nach einem plötzlichen Lastabfall
erreicht werden.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der
Zeichnung beschrieben, in der die einzige Figur eine
schematische Darstellung einer Gasturbinenanlage mit
einer Druck-Wirbelbett-Brennkammer zeigt, die mit dem
erfindungsgemäßen Schutzsteuersystem versehen ist.
Die Gasturbinen-Energieversorgungsanlage 10 mit dem er
findungsgemäßen Schutzsteuersystem enthält eine Druck-
Wirbelbett-Brennkammer 12, deren Innenraum durch drei
sich in Querrichtung erstreckende Teilwände 14, 15 und
16 in eine Reaktions- oder Verbrennungszone 18, zwei
Einlaßkammern 20 und 22 und eine Auslaßkammer 24 unter
teilt ist. Die Wirbelbett-Brennkammer 12 ist über eine
Leitung 26 mit einer Versorgungseinrichtung 28 für Fest
brennstoff verbunden, um den fein verteilten Festbrenn
stoff in die Verbrennungszone 18 zu leiten. Der verteilte
Festbrennstoff zur Verbrennung in der Wirbelbett-Brenn
kammer 12 kann Kohle sein. Weiter ist die Wirbelbett-
Brennkammer 12 mit einer Versorgungs- oder Vorratsein
richtung 30 über eine Leitung 32 verbunden, um in die
Verbrennungszone 18 ein Binde- oder Absorbiermaterial
für Schwefeldioxid einzuleiten, das beispielsweise ge
mahlener Dolomit sein kann. Die Teilwand 14 kann per
foriert oder mit Düsen versehen sein, um Luft aus der
Kammer 20 in die Verbrennungszone 18 verteilt einzu
leiten. Um die Reaktionstemperatur in der Verbrennungs
zone 18 zu steuern, ist in dieser Zone ein Wärmetauscher
34 angeordnet und so angeschlossen, daß er Luft von der
Einlaßkammer 22 aufnimmt und erhitzte Luft in die Auslaß
kammer 24 leitet. In der Verbrennungszone 18 erzeugte
Asche wird aus dieser Zone durch eine Ablaßleitung 21,
einen Aschenkühler 23 und einen Aschentrichter 25 ent
fernt.
Druckluft wird von einem Kompressor 38 über ein Haupt
luftleitung 36 und eine Zweigluftleitung 40 zur Einlaßkammer 20 gelei
tet, während Kühlluft vom Luftkompressor 38 über die Hauptluftleitung
36 und eine weitere Zweigluftleitung 41 zur Einlaßkammer 22
geleitet wird. Die Strömungsmengen der Druckluft durch die
Zweigluftleitungen 40 und 41 werden durch Ventile 42 bzw. 44 in den
jeweiligen Leitungen beeinflußt. Die Ventile 42 und 44 werden
so eingestellt, daß etwa ein Drittel der vom Kompressor 38
erhaltenen Druckluft zur Kammer 20 geleitet wird, die dann
zum Aufwirbeln der Brennstoffteilchen und zur Unterstützung
der Verbrennung dient, während die restlichen zwei Drittel
der Druckluft zur Kammer 22 gelangen und von dort den Wärmetauscher
34 zur Kühlung der Verbrennungszone 18 durchströmen.
Eine Umleitleitung 46 ist an der einen Seite an der Hauptluftleitung 36
angeschlossen, um dort Druckluft aufzunehmen und sie zu einer
Hilfsbrennkammer 48 zu leiten. In diese kann wahlweise ein
Brennstoff wie Öl oder Gas eingespritzt werden, um über die
Leitung 40 heiße Gase zur Einlaßkammer 20 zu leiten, falls es
nötig ist, die Druckluft aufzuheizen, wie z. B. beim Anlassen
der Anlage. In der Umleitleitung 46 ist ein Ventil 50 vorgesehen,
um den Druckluftstrom zur Hilfsbrennkammer 48 zu steuern.
Eine Anlauf-Brennkammer 52 ist über eine Leitung 54 an der
Hauptluftleitung 36 angeschlossen, um Druckluft aus der Hauptluftleitung
zur Verbrennung von Öl oder Gas zur Erzeugung von
Verbrennungsgasen zu erhalten. In der Leitung 54 ist ein
Ventil 55 vorgesehen, um die Strömung durch diese Leitung
zu steuern. Die Verbrennungsgase der Anlaß-Brennkammer 52
werden über eine Leitung 58 und eine Leitung 60 für saubere Verbrennungsgase
zu einer Gasturbine 56 geleitet. Die Leitung 60
für saubere Verbrennungsgase ist mit einem Ventil 61 versehen.
Die Turbine 56 ist zum Antrieb des Kompressors 38
mit diesem verbunden.
In der Anlage 10 ist ein Reinigungssystem vorgesehen, das
eine Vielzahl von Separatoren 62, 64, 66 und 68 enthält,
die durch Leitungen 70, 72 und 74 hintereinandergeschal
tet sind, um Verbrennungsgase von der Wirbelbett-Brenn
kammer 12 über eine Auslaßleitung 76 aufzunehmen. Der
Separator 62 ist über eine Leitung 71 mit der Wirbel
brett-Brennkammer 12 verbunden, so daß mit den Verbren
nungsgasen mitgerissene und im Separator 62 abgetrennte
unverbrannte Brennstoffpartikel zur Verbrennung in die
Verbrennungszone 18 zurückgeführt werden können. Die ge
reinigten Verbrennungsgase werden vom Separator 68 durch
eine Auslaßleitung 78 abgegeben und von dort über die Leitung
60 für saubere Verbrennungsgase zur Turbine 56 geleitet.
Die Auslaßleitung 78 ist noch mit einer Entlüftungseinrichtung
verbunden, die eine Leitung 80 mit Ventil 82 und
einen Druckwasser-Wäscher 84 enthält, welcher über eine
Leitung 85 mit eingesetztem Ventil 86 entlüftet werden kann.
Der letzte Separator 68 ist ein Separatortyp, der die Zuführung
von Luft verlangt, und ist deshalb mit einer Einlaßleitung
88 versehen, das an der anderen Seite mit der Auslaßkammer
24 der Wirbelbett-Brennkammer 12 verbunden
ist. Über eine Umleitleitung 90 zwischen der Hauptluftleitung 36
und der Einlaßleitung 88 kann auch Druckluft direkt zum
Separator 68 geleitet werden, wobei ein Ventil 92 in der Leitung
90 den Durchfluß steuert. Zwischen den Leitungen 88 und 90
einerseits sowie der Leitung 60 für saubere Verbrennungsgase
ist eine Umleitleitung 94 mit einem Ventil 96 eingesetzt,
um direkt Druckluft in die Leitung 60 einzuleiten.
Die Gasturbine 56 gibt die Verbrennungsgase über Leitungen
102 und 103 an eine freilaufende Leistungsturbine 100 ab.
Ein Sperrventil ist in der Leitung 103 vorge
sehen, um die Strömung von Abgasen von der Turbine 56 zur
Leistungsturbine 100 zu steuern. Daneben ist eine mit ei
nem Ventil versehene Umleitung 106 vorgesehen, um Abgase
von der Turbine 56 zur Abgasleitung 108 der Leistungs
turbine 100 zu leiten. Eine Leitung 110 leitet Abgase
von der Abgasleitung 108 der Leistungsturbine 100 oder
von der Abgasleitung 102 der Turbine 56 zu einem (nicht
dargestellten) Resthitzeboiler. In der Leitung 110 ist
ein Ventil 112 vorgesehen, so daß Abgase von der Tur
bine 56 die freilaufende Leistungsturbine 100 umgehen
und direkt zum Resthitzeboiler gelangen können. Die frei
laufende Leistungsturbine 100 ist zum Antrieb einer als
Wechselstromgenerator ausgebildeten Last 114 mit diesem verbunden.
Das erfindungsgemäße Schutzsteuersystem umfaßt eine an der
Hauptluftleitung 36 angeschlossene Abblasleitung 116, die am
anderen Ende über einen (nicht dargestellten) Schalldämpfer
an die Atmosphäre geleitet ist. Die Umleitleitung
116 ist mit einem Anti-Druckstoßventil 118 versehen,
das geöffnet werden kann, um den Druckluftauslaß
bei Notabschaltung der Anlage nach einem plötzlichen
Lastabfall zur Atmosphäre hin zu entlüften. Eine selbsttätige
Einrichtung zur Verhinderung einer Strömung des
gasförmigen Fluids in der Hauptluftleitung 36 in Richtung von der
Wirbelbett-Brennkammer 12 zum Kompressor 38 ist vorgesehen.
Diese selbsttätige Einrichtung umfaßt mindestens
ein Rückschlagventil 120 in der Hauptluftleitung 36 in Abströmrichtung
nach der Anschlußstelle der Leitung 116 an der Hauptluftleitung
36 und ein zweites Rückschlagventil 122,
das in der Hauptluftleitung 36 zwischen den Anschlußstellen
der Leitungen 41 und 40 angeordnet ist. Das Rückschlagventil
122 verhindert eine Gasströmung von der Wirbelbett-Brennkammer
12 in die Turbine 56 über die Leitungen 46, 40, 54, 58
und 60, wenn die Ventile 42, 50 und 55 geöffnet sind, oder
über die Leitungen 40, 36, 90, 94 und 60, falls die Ventile
42, 50, 92, 96 und 61 geöffnet sind bei einer plötzlichen
Lastverminderung oder beim Abschalten der Anlage. Um die
Anlage 10 abzuschalten und die Wirbelbett-Brennkammer 12
auszublasen und diese und das Reinigungssystem bestehend aus den
Separatoren 64, 66 und 68 drucklos zu machen, werden
die Ventile 82 und 86 geöffnet und das Ventil 61 ge
schlossen, so daß die Wirbelbett-Brennkammer und das
Reinigungssystem über die Leitungen 80 und 85 entlüftet
wird. Die Entlüftungsgase werden im Wäscher 84 vor dem
Auslaß an die Atmosphäre gewaschen, um eine Umweltver
schmutzung zu vermeiden.
Damit ist das Schutzsteuersystem für eine Gasturbinen
anlage mit einer Druck-Wirbelbett-Brennkammer beschrie
ben, das eine Entlüftung des Lüftkompressors und der
Druck-Wirbelbett-Brennkammer bei plötzlichen Lastab
fällen ermöglicht, ohne Druckrückschläge in den Luft
kompressor zu verursachen oder eine Beschädigung des
selben durch Feststoffteilchen hervorzurufen, die über
seinen Auslaß eindringen könnten.
Claims (4)
1. Gasturbinen-Energieversorgungsanlage
- - mit einer unter Druck setzbaren Wirbelbett-Brennkammer (12) zur Erzeugung von Verbrennungsgasen, die mit einer Versorgungseinrichtung (2S) für pulverisierten Fest brennstoff verbunden ist,
- - mit einem Luftkompressor (38), dessen Luftauslaß über eine Hauptluftleitung (36) und eine erste bzw. eine zweite Zweigluftleitung (40 bzw. 41) mit der Wirbel bett-Brennkammer (12) bzw. mit einem der Wirbelbett- Brennkammer (12) zugeordneten Wärmetauscher (34) ver bunden ist,
- - mit einer Gasturbine (56), der über eine Separatoren (62, 64, 66, 68) enthaltende Verbrennungsgas-Leitungs einrichtung (76, 70, 72, 74, 78, 60) Verbrenmungsgase zu ihrem Antrieb von der Wirbelbett-Brennkammer (12) zuführbar sind und die mit dem Luftkompressor (38) und mit einer Last (114) in Antriebsverbindung steht,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß zum Verhindern einer Strömung von Verbrennungsgasen von der Wirbelbett-Brennkammer (12) in Richtung zum Luftkompressor (38) in den Luftleitungen (40, 41, 36) eine selbsttätige Absperreinrichtung (120, 122) vorge sehen ist, die zumindest ein erstes Rückschlagventil (122), das zwischen den beiden Zweigluftleitungen (40, 41) angeordnet ist, um eine Fluidströmung von der mit der Wirbelbett-Brennkammer (12) verbundenen Zweigluft leitung (40) in die andere Zweigluftleitung (41) zu ver hindern, und ein zweites Rückschlagventil (120) umfaßt, das zwischen dem Luftauslaß des Luftkompressors (38) und der zum Wärmetauscher (34) führenden Zweigluftlei tung (41) in der Hauptluftleitung (36) angeordnet ist,
- - daß eine mit einem Ventil (118) versehen Abblasleitung (116) zwischen dem Luftauslaß des Luftkompressors (38) und der selbsttätigen Absperreinrichtung (120, 122) an die Hauptluftleitung (36) angeschlossen ist, und
- - daß in der Verbrennungsgas-Leitungseinrichtung (76, 70, 72, 74, 78, 60) eine Ventileinrichtung (61) zum Absper ren des Durchlasses von Verbrennungsgasen von der Wir belbett-Brennkammer (12) zur Gasturbine (56) vorgesehen ist.
2. Gasturbinen-Energieversorgungsanlage nach
Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hauptleitung (36) den Luftkompressor
(38) zur Abgabe von Druckluft
über eine zwischen dem ersten und dem zweiten Rückschlagventil
(120, 122) abzweigende dritte Zweigleitung (90, 88) mit der Separatoreinrichtung
(68) verbindet.
3. Gasturbinen-Energieversorgungsanlage nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Entlüftungseinrichtung (80 bis 86) zum Ausblasen
der Wirbelbett-Brennkammer (12) bei geschlossener Ventil
einrichtung (61) vorgesehen ist.
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