DE3621001C2

DE3621001C2 -

Info

Publication number: DE3621001C2
Application number: DE19863621001
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Hutter Friedrich Dipl-Ing (fh) 7252 Weil Der Stadt De
Current assignee: HUTTER, FRIEDRICH, DIPL.-ING. (FH), 88400 BIBERACH
Priority date: 1986-06-23
Filing date: 1986-06-23
Publication date: 1991-12-12
Also published as: DE3621001A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung der Bil dung von Stickoxiden in kombinierten Gasturbinen-Dampfprozessen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Gasturbinenanlagen werden vielfach in Kombination mit nachge feuerten Dampferzeugungsanlagen oder Dampfturbinenanlagen ein gesetzt, wobei die Abwärme der Gasturbinen-Prozeßabgase genutzt wird. Die Prozeßabgase enthalten hohe Konzentrationen von Stickoxiden, die, sofern nicht besondere Verfahren eingesetzt werden, als Vorbelastung für die Feuerung des nachgeschalteten Dampfkessels anzusehen sind. Die Feuerung des Dampfkessels trägt ebenfalls zur Bildung von Stickoxiden bei, wobei Disso ziationsvorgänge in der Feuerung und thermische Zustände nach der Feuerung eine Rolle spielen. Die der Erfindung zugrunde liegende Schaltung enthält an sich bekannte Komponenten, die in der Weise geschaltet sind, daß eine Minderung der Bildung von Stickoxiden des Gesamtsystems erreicht wird.

Die bekannten feuerungstechnischen Maßnahmen zur Dämpfung der thermischen NO_x-Bildung zielen auf die Verminderung der örtli chen Sauerstoffkonzentration in den Hochtemperaturbereichen der Flamme ab. Die bekannten Konzepte reichen von unterstöchiome trischer Verbrennung mit stufenweiser O₂-Zugabe (Stufenverbren nung) bis zur Rauchgaszirkulation, die eine Beeinflussung des Verbrennungsvorgangs durch Inertgasbelastung anstrebt. Die Ein spritzung von Wasser oder Dampf zählt dabei zu den Verfahren der Inertgaszugabe.

Inertgasverfahren führen zu einer erhöhten CO-Bildung, die vielfach unerwünscht ist und für die Grenzwerte vorgeschrieben sind.

Die Wassereinspritzung wurde bei Leichtgasturbinen zunächst entwickelt, um eine kurzzeitige Leistungssteigerung zu errei chen. Der NO_x-dämpfende Effekt ist als zwangsweise Folge damit verbunden und auch als solcher erkannt worden. Die Wasserein spritzung in Gasturbinen ist eine der wirkungsvollsten Metho den, die NO_x-Bildung bei Gasturbinen im Einzelbetrieb zu ver mindern. Bei Anwendung dieses Verfahrens muß allerdings mit einer Verkürzung der Lebensdauer der Gasturbine im Dauerbetrieb mit Wassereinspritzung gerechnet werden.

Der derzeitige Stand von NO_x-mindernden Verfahren bei kombi nierten Gas- und Dampfturbinen-Prozessen wird durch die Patent schriften,
DE-AS 22 42 301,
US-PS 43 53 206,
belegt.

Auslegungsschrift DE-AS 22 42 301 beschreibt im Oberbegriff ein Verbundkraftwerk mit einem Dampfturbinenkreislauf und einem Gasturbinenkreislauf, in welchen zwischen Verdichter und Gas turbine Dampf aus einer Dampfquelle zur Leistungssteigerung der Gasturbine einspritzbar ist, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Dampfquelle ein Hilfskessel ist. Die Auslegungs schrift zeigt ferner in der Figur einen zusätzlich zum Haupt kessel installierten Rückgewinnungskessel 18, der prozeßgassei tig zwischen Gasturbine und Feuerung des Hauptkessels geschal tet ist. Der Rückgewinnungskessel 18 besteht aus einem Siede kessel 25 und Wärmetauschflächen 26, die überhitzten Dampf wei teren Dampfturbinensätzen 27, 29 zuführen. Der Rückgewinnungs kessel erzeugt im Betrieb auch den Einspritzdampf für die Lei stungssteigerung der Gasturbine.

US PS 43 53 206 beschreibt einen kombinierten Gasturbinen- und Dampfturbinen-Prozeß, der einen Katalysator im Abgasstrom zur NO_x-Reduktion enthält. In den Abgasstrom nach der Gasturbine sind dabei Wärmetauscherflächen geschaltet, die sich vor und nach dem Katalysator zum Zweck der Temperaturregelung in Ver bindung mit einem Bypaß befinden. Aus dem Hochdruckkreis der Dampferzeugung wird Dampf aus der Hochdrucktrommel für die Ein spritzung in die Gasturbinenbrennkammer abgezweigt.

Ähnliche Verfahren, bei denen Dampf in die Brennkammer der Gas turbine eingeführt werden, sind auch aus dem Fachbuch Handbuch reihe ENERGIE, Bd. 7, Verlag Resch und TÜV Rheinland, 1984 be schrieben.

Gemäß dem beschriebenen Stand der Technik insbesondere durch die Schriften DE AS 22 42 301 und US-PS 43 53 206 sind Verfahren mit Wasser und/oder Dampfeinspritzung in die Brennkammer be kannt, wobei eine Abkühlung der Prozeßgase der Gasturbine in der Brennkammer erreicht wird. Diese Verfahren sind geeignet, die NO_x-Bildung zu mindern, jedoch entstehen dabei CO-Emissio nen, die unerwünscht sind. Nachdem der eingespritzte Dampf im Prozeßabgas verbleibt, muß die Verdampfungswärme des Dampfes als verloren gelten, wodurch eine thermodynamische Verschlech terung des Prozeßwirkungsgrades bei allerdings erhöhter Lei stung der Gasturbinenanlage in Kauf genommen werden muß. Nach DE-AS 22 42 301 werden die Prozeßgase vor Eintritt in die Nachfeuerung des Hauptkessel gekühlt. Hierzu ist ein separater aufwendiger Rückgewinnungskessel mit eigener Trommel als Siede kessel und weiteren Wärmetauscherflächen erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Absenken der Feu erraumtemperatur im Dampfkessel zu erreichen, um damit die Ent stehung von zusätzlichen NO_x-Verbindungen in der Nachfeuerung, die von den Prozeßgasen der Gasturbine gespeist ist, zu min dern, ohne den thermodynamischen Kreisprozeß zu verschlechtern und den zusätzlichen technischen Aufwand für die Kühlung der Gasturbinen-Prozeßgase klein zu halten.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gas turbinen-Prozeßgas nach dem Austritt aus der Gasturbine und vor dem Eintritt in die Feuerung des Dampfkessels durch Wärme tausch mit dem Kühlmedium abgekühlt und das Kühlmedium nach Wärmeaufnahme wieder in die Trommel des Dampfkessels zurückge führt wird.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen darin, daß die NO_x-Emission eines kombinierten Gasturbinen- und Dampfpro zesses vermindert werden kann, wobei ein zweiter aufwendiger Dampfkessel mit eigener Trommel zur Kühlung der Gasturbinen- Prozeßgase eingespart werden kann. Der Vorteil gegenüber einer Wasser- oder Dampfeinspritzung in den Prozeßgasstrom besteht darin, daß ein Teil des Dampfes nicht in die Brennkammer der Gasturbine abgegeben werden muß, sondern für die Dampferzeugung in den Dampfkessel zurückgenommen wird.

Das Kühlmedium, das - gemäß dem Oberbegriff - aus der Wasser- Dampf-Trommel entnommen wird und das gemäß dem Lösungsansatz durch Wärmetausch die Gasturbinen-Prozeßgase abkühlt, kann im Bedarfsfall in an sich bekannter Weise zwangsweise durch den Wärmetauscher geführt werden.

Anstelle der Entnahme des Kühlmediums aus der Wasser-Dampf- Trommel kann das Kühlmedium, bevor es in den Wärmetauscher ein tritt und in die Trommel des Dampfkessels eingeführt wird, dem Speisewasserstrang entnommen werden.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Die Gasturbinen-Prozeßga se (1) des Gasturbinenaggregates (2) werden einem Wärmetauscher (3) zugeführt und dort von ca. 500°C auf ca. 350°C abgekühlt. Die abgekühlten Prozeßgase strömen dem Leistungsbrenner (4) eines Dampfkessels zu, wobei der restliche Sauerstoff von etwa 15 Vol-% durch die Nachfeuerung verbraucht wird. Eine weitere Steigerung der Kesselleistung erfolgt gegebenenfalls durch Zu führung einer Zusatzluft (5), die vor oder in den Leistungs brennern zugeführt wird. In dem Dampfkessel wird entweder rei ner Sattdampf oder überhitzter Dampf erzeugt, der über eine Expansionsturbine expandiert und damit zur weiteren Stromerzeu gung beiträgt. Aus der Wasser-Dampf-Trommel des Hauptkessels (6) wird Wasser im Sättigungszustand entnommen, in dem Wärme tauscher auf Sattdampftemperatur erhitzt und der Trommel des Hauptkessel wieder zugeführt.

Claims

1. Verfahren zur Verminderung der Bildung von Stickoxiden bei einem kombinierten Gasturbinen-Dampfprozeß, bestehend aus einer Gasturbinenanlage mit einem Verdichter, einer Brennkammer und einer Turbine, die zur Stromerzeugung mit einem Generator ge koppelt ist und einer Dampferzeugungsanlage, die einen nachge feuerten Dampfkessel aufweist, der zur Nutzung der in den Ga sturbinen-Prozeßgasen enthaltenen Wärme von diesen durchströmt wird und der eine Wasser-Dampf-Trommel enthält, aus der Kühlme dium für die Gasturbinen-Prozeßgase entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasturbinen-Prozeßgas nach Austritt aus der Gasturbine und vor Eintritt in die Feuerung des Dampfkessels durch Wärmeaustausch mit dem Kühlmedi um abgekühlt und das Kühlmedium nach Wärmeaufnahme in die Trommel des Dampfkessels zurückgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium in an sich bekannter Weise zwangs weise durch den Wärmetauscher geführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium vor Durchströmung des Wärmetauschers und Zurückführen in die Trommel des Dampfkessels, dem Speisewasserstrang entnommen wird.