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Die Erfindung betrifft eine Gasturbinenkraftanlage,
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insbesondere eine Gasturbinenkraftanlage mit einer unter Druck gesetzten
Fluidbettbrennkammer (Wirbelbettbrennkammer) und einem Reinigungsteilsystem zur
Entfernung von mitgeführten Festkörperbrennstoffen aus dem Verbrennungsgas, bevor
das Verbrennungsgas zum Antrieb einer Gasturbinenanordnung eines Gasturbinen-Luftkompressor-Teilsystems
zu dem Gasturbinen-Luftkompressor-Teilsystem weitergeleitet wird.
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Die zur Zeit bekannten Gasturbinenkraftanlagen des zuvor erwähnten
Typs, wie sie in den US-Patentschriften 3 791 137 und 3 924 402 beschrieben sind,
für die aus rein praktischen Gründen, obwohl in den erwähnten Patentschriften nicht
gezeigt, ein Reinigungsteilsystem zur Entfernung von mitgeführten Festkörperstoffen
aus den Verbrennungsgasen, bevor diese an eine Gasturbine weitergeleitet werden,
erforderlich ist, weisen zumindest zwei Nachteile auf. Ein solcher Nachteil ist,
daß dann, wenn die Fluidbettbrennkammer und/oder das Reinigungsteilsystem einer
Inspektion, Wartung oder Reparatur unterzogen werden müssen, die Energieerzeugung
während einer solchen Stillegung unterbrochen wird. Ein anderer Nachteil ist, daß
nach der Stillegung-keine Energie während der langen Zeitdauer erzeugt werden kann,
die erforderlich ist, den Gasdruck und die Gastemperatur im Innern der Fluidbettbrennkammer
und des Reinigungsteilsystems so weit herabzusetzen, daß das Innere dieser Teile
zugänglich und/oder die Durchführung von Reparaturen ermöglicht wird.
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Ein Ziel dieser Erfindung ist es daher, eine eine unter Druck gesetzte
Fluidbettbrennkammer, ein Reinigungsteilsystem sowie ein Gasturbinen-Luftkompressor-Teilsystem
aufweisende
Gasturbinenkraftanlage zu schaffen, die in der Lage ist, während der Stillegung
für eine Inspektion, Wartung und/oder Reparatur der Fluidbettbrennkammer und des
Reinigungsteilsystems Energie zu erzeugen. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung
ist es, eine Gasturbinenkraftanlage der oben angeführten Gattung zu schaffen, die
in der Lage ist, nach der Startphase schneller als die bisher bekannten Kraftanlagen
des oben erwähnten Typs Energie zu erzeugen und ferner weiteres Verbrennungsgas
zur Ergänzung des in der unter Druck gesetzten Fluidbettbrennkammer erzeugten Verbrennungsgases
zu liefern, um einem überhöhten Energiebedarf der Last nachkommen zu können.
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Demnach betrifft die vorliegende Erfindung eine Gasturbinenkraftanlage,
die vor allem eine unter Druck gesetzte Fluidbettbrennkammer, ein Reinigungsteilsystem
sowie ein Gasturbinen-Luftkompressor-Teilsystem aufweist, die zur Energieerzeugung
miteinander verbunden sind.
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Die unter Druck gesetzte Fluidbettbrennkammer ist so verbunden, daß
sie Brennstoff in Partikelform, wie z.B.
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stark schwefelhaltige Kohle, sowie Schwefel absorbierendes Material,z.B.
Dolomit,von Brennstoffquellen aufnimmt und der Brennstoff zur Erzeugung von Verbrennungsgasen
in der Fluidbettbrennkammer bei Temperaturen von 5070 C bis 9540 C verbrannt wird.
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Das Reinigungsteilsystem, das eine Trenneinrichtung, wie z.B. Wirbelseparatoren,
aufweist, ist so mit der Fluidbettbrennkammer verbunden, daß sie die Verbrennungsgase
dieser Brennkammer aufnimmt und in den Verbrennungsgasen mitgeführte Festkörperpartikel
entfernt.
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Das Gasturbinen-Luftkompressor-Teilsystem weist eine Gasturbinenanordnung,
eine Luft komprimierende Anordnung sowie eine Last wie z.B. eine stromerzeugende
Anordnung auf, die untereinander so verbunden sind, daß die Gasturbinenanordnung
sowohl die Luft komprimierende Anordnung als auch die Last antreibt.
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Die Fluidbettbrennkammer, das Reinigungsteilsystem sowie das Gasturbinen-Luftkompressor-Teilsystem
sind durch eine erste und eine zweite Leitungsanordnung untereinander verbunden.
Die erste Leitungsanordnung verbindet die Gasturbinenanordnung so mit dem Reinigungsteilsystem,
daß der Gasturbinenanordnung gereinigte Verbrennungsgase zugeführt werden und die
Verbrennungsgase diese Gasturbinenanordnung antreiben. Die zweite Leitungsanordnung
ist so mit der Luft komprimierenden Anordnung und der Fluidbettbrennkammer verbunden,
daß die komprimierte Luft von der Luft komprimierenden Anordnung zur Fluidbettbrennkammer
zur Aufwirbelung und zur Unterstützung der Verbrennung des Brennstoffes weitergeleitet
wird. In der ersten und zweiten Leitungsanordnung ist eine Ventilanordnung vorgesehen,
die im aktiven Zustand den Fluß durch die erste und zweite Leitungsanordnung unterbricht
und dadurch die Fluidbettbrennkammer und das Reinigungsteilsystem vom Gasturbinen-Luftkompressor-Teilsystem
trennt.
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Das Gasturbinen-Luftkompressor-Teilsystem weist ferner eine Zusatzbrennkammer
auf, die über eine ventilgesteuerte Umgehungsleitung so mit der zweiten Leitungsanordnung
verbunden ist, daß sie von der Luft komprimierenden Anordnung komprimierte Luft
aufnimmt, und die so mit der ersten Leitungsanordnung verbunden ist, daß die in
der Zusatzbrennkammer erzeugten Verbrennungsgase der Gasturbinenanordnung
zugeführt
werden und die Gasturbinenanordnung durch diese Verbrennungsgase angetrieben wird,
wenn die Fluidbettbrennkammer und das Reinigungsteilsystem vom Gasturbinen-Luftkompressor-Teilsystem
getrennt werden. Dies erlaubt auch dann ein kontinuierliches Antreiben der Last,
z.B. eine kontinuierliche Stromerzeugung, wenn die Fluidbettbrennkammer und das
Reinigungsteilsystem vor einer Inspektion, Wartung und/oder Reparatur stillgelegt,
abgekühlt und druckentlastet werden.
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Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung
beschrieben, in der eine erfindungsgemäße Gasturbinenanlage gezeigt wird.
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Nach der Zeichnung weist die erfindungsgemäße Gasturbinenkraftanlage
10 im allgemeinen eine Brennkammer 12 mit turbulent fluidisiertem Brennstoff, ein
Reinigungsteilsystem 14 sowie ein Gasturbinen-Luftkompressor-Teilsystem 16 auf Die
Teilsystemei4 und 16 sind in der Zeichnung von strichpunktierten Linien umschlossen.
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Die Fluidbettbrennkammer 12 weist drei sich in Querrichtung erstreckende
Trennwände 18, 20 und 22 auf, die das Innere der Fluidbettbrennkammer 12 in eine
Reaktions-oder Verbrennungszone 24, zwei Einlaßkammern 26 und 28 sowie in eine Auslaßkammer
30 unterteilen. Die Fluidbettbrennkammer ist über eine Leitung 32 mit einer Brennstoffversorgungseinrichtung
34 verbunden, über die der Verbrennungszone 24 Festbrennstoff wie z.B. stark schwefelhaltige
Kohle in Form von Partikeln geeigneter Größe zugeführt wird. Die Fluidbettbrennkammer
12 ist ferner über eine Leitung 38 mit einer Versorgungseinrichtunq 36 verbunden,
über die der Verbrennungszone 24 ein Schwefeldioxid absorbierendes
Material
wie z.B. grob gemahlener Dolomit zugeführt wird. Die Trennwand 18 kann perforiert
oder mit Düsen versehen sein, um komprimierte Luft aus der Kammer 26 in die Verbrennungszone
24 zu leiten und in dieser zu verteilen. Um die Reaktionstemperatur in der Verbrennungs.zone
24 in einem Bereich von etwa 507° C bis 9540 C zu steuern, ist in der Verbrennungszone
24 ein Wärmetauscher 40 angeordnet, der so verbunden ist, daß er komprimierte Luft
von der Einlaßkammer 28 aufnimmt und die erhitzte Luft an die Auslaßkammer 30 abgibt.
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Die in der Verbrennungszone 24 erzeugten Verbrennungsrückstände werden
mittels einer Abflußleitung 42, eines Verbrennungsrückständekühlers 44 und eines
Verbrennungsrückständetrichters 45 aus der Verbrennungszone entfernt.
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Das Gasturbinen-Luftkompressor-Teilsystem 16 weist einen Luftkompressor
46 auf, der mit einer Gasturbine 48 gekoppelt ist und von dieser angetrieben wird.
Die Gasturbine 48 ist so verbunden, daß die Verbrennungsgase über Leitungen 52 und
54 zu einer freien Leistungsturbine 50 hin ausgestoßen werden. Zur Kontrolle des
Abgasflusses von der Turbine 48 in die Leistungsturbine 50 ist in die Leitung 54
ein Trennventil 56 eingebracht. Ferner ist eine ventilgesteuerte Umgehungsleitung
58 vorgesehen, um das Abgas von der Turbine 48 zu einer Abflußleitung 60 der Leistungsturbine
50 zu leiten. Eine Leitung 62 ist dafür vorgesehen, das Abgas von der Austrittsleitung
60 der freien Turbine 50 oder von der Austrittsleitung 52 der Gasturbine 48 zu einem
Abwärmeboiler (nicht gezeigt) zu führen. In die Leitung 62 ist ein Ventil 64 eingebracht,
so daß das Abgas von der Gasturbine 48 dann, wenn dieses Ventil offen und ein Ventil
57 in der Umgehungsleitung 58 geschlossen ist, unter Umgehung der freien Leistungsturbine
50 direkt dem Abwärmeboiler zugeführt werden kann.
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Die freie Leistungsturbine 50 ist so verbunden, daß eine Last wie
z.B. ein Wechselstromgenerator 66 angetrieben wird. Das Gasturbinen-Luftkompressor-Teilsystem
16 weist ferner eine erste Zusatzbrennkammer 68 auf, die weiter unten ausführlicher
beschrieben wird.
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Das in der Anlage 10 vorgesehene Reinigungsteilsystem weist eine Vielzahl
von Separatoren 70, 72, 74 und 76 auf, die über Leitungen 78, 80 und 82 in Reihe
geschaltet sind, so daß sie das von der Fluidbettbrennkammer über eine Abflußleitung
84 abgegebene Verbrennungsgas nacheinander aufnehmen. Der Separator 70 ist über
eine Leitung 86 mit der Fluidbettbrennkammer 12 verbunden, so daß die in den Verbrennungsgasen
mitgeführten und von diesen im Separator 70 ausgeschiedenen unverbrannten Brennstoffpartikel
zur Verbrennung wieder in die Verbrennungszone 18 zurückgeführt werden. Die im wesentlichen
gereinigten Verbrennungsgase werden vom Separator 76 über eine Austrittsleitung
88 weitergeleitet. Die Austrittsleitung 88 ist ferner mit einer Entlüftungsanordnungverbunden,
die eine Röhre 90 mit einem Ventil 92 aufweist. Diese Röhre ist wiederum mit einem
unter Druck gesetztem Naßreiniger 94 verbunden, der über eine Röhre 96 entlüftet
wird, wobei der Fluidfluß durch diese Röhre mittels eines Ventils 98 gesteuert wird.
Das Ventil 92 ist nur während der Start- oder Abschaltphase der Kraftanlage 10 geöffnet.
Der Separator 76 ist von einem solchen Typ, der Luft benötigt, wie z.B. der von
der Firma Aerodyne Development Corporation, 28086 Solon Road, Cleveland, Ohio, USA
hergestellte Series SV Dust Collector. Um den Separator 76 mit Luft zu versorgen,
ist der Separator 76 mit der Fluidbettbrennkammer 12 über eine Röhre 100 verbunden,
die an einem Ende mit der Auslaßkammer 30 der Fluidbettbrennkammer 12 und am anderen
Ende mit dem Separator 76
in Verbindung steht. Ein Teil der komprimierten
Luft kann dem Separator 76 über eine Umgehungsröhre 102 direkt zugeführt werden.
Diese Umgehungsröhre 102 ist mit einer komprimierte Luft liefernden Hauptröhre 104
verbunden, die einen Teil einer zweiten Leitungsanordnung bildet, über die komprimierte
Luft vom Kompressor 46 zur Fluhdbettbrennkammer 12 geleitet wird. Zur Steuerung
des Flusses durch die Röhre 102 ist in diese Röhre 102 ein Ventil 106 eingebracht.
Die komprimierte Luft kann so weitergeleitet werden, daß sie den Separator 76 umgeht
und über eine ein Ventil 112 aufweisende Umgehungsröhre 110 in eine gereinigtes
Verbrennungsgas führende Röhre 108 hineinfließt. Die gereinigtes Verbrennungsgas
führende Röhre 108 bildet eine erste Leitungsanordnung, durch die das Reinigungsteilsystem
14 mit dem Gasturbinen-Luftkompressor-Teilsystem 16 zur Versorgung der Gasturbine
48 mit ger-einigtem, auf eine hohe Temperatur und hohen Druck gebrachtem Verbrennungsgas
verbunden ist.
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Die zweite Leitungsanordnung weist zusätzlich zur komprimierte Luft
liefernden Hauptröhre 104 Zweigröhren 114 und 116 auf. Die Zweigröhre 114 ist zur
Weiterleitung der komprimierten Luft zur Kammer 26 am einen Ende mit der Hauptversorgungsröhre
104 und am entgegengesetzten Ende mit der Kammer 26 verbunden. Die Zweigröhre 116
ist am einen Ende mit der Hauptversorgungsröhre 104 und am entgegengesetzten Ende
mit der Kammer 28 verbunden. Der Fluß der komprimierten Luft durch die Zweigröhren
114 und 116 wird durch in diese Röhren eingebrachte Ventile 118 und 120 gesteuert.
Normalerweise werden die Ventile 118 und 120 so eingestellt, daß die vom Kompressor
46 in die Hauptversorgungsröhre 104 abgegebene komprimierte Luft derart verteilt
wird, daß der Kammer 26 zur Aufwirbelung der Brennstoffpartikel und zur Unterstützung
der
Brennstoffverbrennung etwa ein Drittel (1/3) und der Kammer 28 zur Durchflutung
des Wärmetauschers 40 und Abkühlung der Verbrennungszone 24 etwa zwei Drittel (2/3)
zugeführt werden.
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Eine Umgehungsröhre 122 ist am einen Ende mit der Hauptversorgungsröhre
104 verbunden, so daß sie von dieser Hauptversorgungsröhre komprimierte Luft aufnimmt
und die komprimierte Luft zu einer weiten Zusatzbrennkammer 124 weiterleitet. Brennstoff,
wie z.B. öl oder Gas, wird wahlweise in die Brennkammer 124 eingespritzt, um der
Röhre 114 erhitzte Gase zuzuführen und die erhitzten Gase über diese Röhre 114 zur
Kammer 26 der Fluidbettbrennkammer 12 weiterzuleiten, wenn es,wie z.B.
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während der Startphase, erforderlich ist, die komprimierte Luft zu
erhitzten. Zur Steuerung des Flusses der komprimierten Luft zur zweiten Zusatzbrennkammer
124 ist in der Umgehungsröhre 122 ein Ventil 126 vorgesehen.
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Erfindungsgemäß kann eine Inspektion, Wartung und Reparatur der Gasturbinenkraftanlage
10 ohne völlige Stillegung der Kraftanlage 10 dadurch erfolgen, daß eine Ventileinrichtung
zur Trennung der Fluidbettbrennkammer 12 und des Reinigungsteilsystems 14 vom Gasturbinen-Luftkompressor-Teilsystem
16 vorgesehen ist. Diese Ventileinrichtung weist die Ventile 106, 118, 120 und 126
sowie ein Ventil 130 auf, das in der gereinigtes Verbrennungsgas führenden Röhre
108 zwischen der Verbindungsstelle einer von der ersten Zusatzbrennkammer 68 ausgehenden
und mit der Gasröhre 108 verbundenen Austrittsröhre 132 und der Verbindungsstelle
der Gasröhre 108 mit der Umgehungsröhre 110 angeordnet ist.
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Werden die Ventile 106, 118, 120, 126 und das Ventil 130 geschlossen,
so steht das Gasturbinen-Luftkompressor-Teilsystem nicht mehr in Verbindung mit
der Fluidbettbrennkammer 12 und dem Reinigungsteilsystem 14. Wird die
erste
Zusatzbrennkammer 68 aktiviert, indem Brennstoff, wie z.B. bl oder Gas, eingespritzt
und über die Röhre 132 bei offenem Zustand eines in dieser Röhre 132 angeordneten
Ventils 134 für den Durchfluß von komprimierter Luft in dieser ersten Zusatzbrennkammer
68 gesorgt wird, so kann über die Röhren 132 und 108 der Gasturbine 48 und der Leistungsturbine
50 Verbrennungsgas zugeführt werden. Somit kann während der Stillegungsphase der
Kraftanlage 10 in gewissem Umfang Energie erzeugt werden.
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Ferner werden für eine beschleunigte innere Inspektion und Reparatur
die hohe Gastemperatur und der hohe Druck in der Fluidbettbrennkammer 12 und im
Reinigungsteilsystem 14 dadurch herabgesetzt, daß diese Teile über die Röhre 90,
den Naßreiniger 94 und die Röhre 96 bei offenen Ventilen 92 und 98 entlüftet werden.
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Um ein Pumpen des Kompressors 46 zu verhindern, ist eine Pumpverhinderungseinrichtung
in der Form eines Rückschlagventils 136 und einer Umgehungsröhre 138 sowie eines
Ventils 140 vorgesehen.
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Es wurde gezeigt, daß die vorliegende Erfindung eine Gasturbinenkraftanlage
mit einer Fluidbettbrennkammer, einem Velbrerlnungsgasreinigungs-Teilsystem und
einem Gasturbinen-Luftkompressor-Teilsystem schafft, bei der die Fluidbettbrennkammer
und das Verbrennungsgasreinigungs-Teilsystem zur Inspektion, Wartung und Reparatur
der Fluidbettbrennkammer und des Reinigungsteilsystems vom Gasturbinen-Luftkomrpessor-Teilsystem
so getrennt werden können, daß die Kraftanlage immer noch effektiv arbeiten, z.B.
mittels einer Zusatzbrennkammer in gewissem Umfang Energie erzeugen kann. Diese
Kraftanlage ist ferner in der Lage, die erhitzten und unter hohen Druck gesetzten
Gase in der Fluidbettbrennkammer und im Reinigungsteilsystem relativ schnell zu
entspannen,
so daß das Innere dieser Anlagenteile für eine Inspektion
und/oder Reparatur relativ schnell zugänglich gemacht werden kann.
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