DE3142994C2 - - Google Patents

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.